На правах рукописи

КВРИВИШВИЛИ

Арсений Робертович

ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПАРАМЕТРЫ ПАРОПАРОВЫХ

ЭНЕРГОБЛОКОВ ТЭС

Специальность 05.14.14 – тепловые электрические станции, их

энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук

Новосибирск – 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ноздренко Геннадий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук Серант Феликс Анатольевич доктор технических наук, с.н.с.

Огуречников Лев Александрович

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический научно-исследовательский институт», г. Москва

Защита диссертации состоится « 20 » марта 2009 года в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.173.02 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу:

630092, Новосибирск, пр. К.Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета

Автореферат разослан « 10 » февраля 2009 г.

Учный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Шаров Ю.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие энергетики в России на ближайшие 20…30 лет связано с увеличением доли использования угля. Одним из путей более широкого вовлечения в топливно-энергетический баланс угля для производства энергии наряду с традиционным факельным и слоевым сжиганием является газификация угля и его внешнее сжигание в двухконтурных энергоблоках, работающих по комбинированным циклам (парогазовым и паропаровым).

Соединение в одном энергоблоке высокотемпературных установок (газотурбинных (ГТУ) или низконапорных паротурбинных (ПТУ), работающих в области высоко перегретого пара по типу газотурбинных циклов) и традиционных или утилизационных паротурбинных установок позволяет существенно повысить эффективность использования топлива, обеспечить рост КПД до 50 %, т.е. до уровня, недостижимого в настоящее время для других типов энергоблоков на угле.

Развитие двухконтурных угольных энергоблоков в развитых странах производится в рамках национальных программ (Advanced Turbine Systems в США, THERMIE в Европе и др.) по следующим направлениям: ПГУ с внутрицикловой газификацией угля; ПГУ с кипящим слоем под давлением; ПГУ с непрямым (внешним) сжиганием угля.

Дальнейшим развитием двухконтурных схем является создание по типу ПГУ пылеугольных низконапорных высокотемпературных паротурбинных энергоблоков, работающих по комбинированному циклу Фильда-Барановского (на перегретом водяном паре в высокотемпературной области) и Ренкина (в утилизационной части). Такой энергоблок предлагается по аналогии с парогазовым называть паропаровым (ЭПП).

Целью работы является разработка методических подходов, математических моделей, методов расчета и исследования показателей тепловой экономичности, расходно-термодинамических, конструктивно-компоновочных параметров и профилей технологически новых высокотемпературных низконапорных пылеугольных паропаровых энергоблоков ТЭС и разработка рекомендаций по выбору схем, параметров и мощностей.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:

1. Разработанные методики термодинамического исследования, анализа показателей тепловой экономичности, расчетов конструктивно-компоновочных и технико-экономических параметров высокотемпературных низконапорных агрегатов ЭПП (пылеугольного парового котла, паровых осевых турбины и компрессора) с учетом теплофизических свойств высокотемпературного перегретого пара, ограничений, отражающих технологичность и условия протекания физико-технических процессов.

2. Разработанные математические модели функционирования агрегатов и в целом ЭПП.

3. Разработанные на основе выполненных исследований профили и конструктивно-компоновочные параметры высокотемпературных низконапорных агрегатов ЭПП и новая схема, защищенная Патентом РФ.

4. Рекомендации по выбору рациональных схем, расходнотермодинамических и конструктивно-компоновочных параметров, профилей высокотемпературных агрегатов и в целом энергоблоков для различных их единичных мощностей, определение путей дальнейшего повышения эффективности ЭПП.

Методы исследования: методы термодинамического и энергетического анализа, расходного и энергетического балансов, расчета паровых котлов и турбомашин, гидрогазодинамики, математического и компьютерного моделирования.

Практическая значимость работы. Разработанная методика, методический подход, математическая модель и алгоритмы позволяют получать на основе тепловых расчетов профили высокотемпературных агрегатов и конструктивно-компоновочные параметры оборудования ЭПП, определять влияние параметров цикла на эффективность, устанавливать рациональный диапазон мощностей энергоблока. Рассчитанные показатели паропаровых энергоблоков могут служить информационной базой для дальнейших исследования и проработки пилотных установок.

Результаты работы использованы в проектных организациях ОАО «НоТЭП», ЗАО «СибКОТЭС» для перспективного проектирования ТЭС, в Проблемной лаборатории теплоэнергетики при факультете Энергетики НГТУ, в учебном процессе – в НГТУ при подготовке инженеров по специальности 140101 – «Тепловые электрические станции» и магистров по направлению 140100 – «Теплоэнергетика».

Личный вклад автора. Автором разработана технологическая схема ЭПП и математическая модель функционирования агрегатов и энергоблока в целом; разработаны методики, получены результаты термодинамического исследования, анализа показателей тепловой экономичности, расчетов конструктивно-компоновочных и технико-экономических параметров высокотемпературных низконапорных агрегатов ЭПП; разработаны профили этих агрегатов и рекомендации по выбору рациональных схем, расходно-термодинамических и конструктивно-компоновочных параметров высокотемпературных агрегатов и в целом энергоблоков для различных их единичных мощностей.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на: 9-й Российско-Корейской международной конференции «KORUS – 2005»

(г. Новосибирск, НГТУ); международном коллоквиуме XXXVII Kraftwerkstechnisches Kolloquium (Германия, г. Дрезден, 2005 г.); международной научнопрактической конференции «ИННОВАЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА» (г. Новосибирск, ИТ СО РАН, 2005 г.); одиннадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, ТПУ, 2005 г.); пятой Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (г. Ульяновск, 2006 г.); Всероссийской конференции – конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и энергосбережение» (г. Томск, ТПУ, 2006 г.); на втором международном форуме стратегических технологий «IFOST – 2007» (Монголия, г.

Улан-Батор), на третьем международном форуме стратегических технологий «IFOST – 2008» (г. Новосибирск, НГТУ); третьей молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, КГЭУ, 2008 г.); межвузовской научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (г. Саратов, СГТУ, 2008 г.); Всероссийских научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука.

Технологии. Инновации.» НТИ-2005, НТИ-2006, НТИ-2007 (г. Новосибирск, НГТУ); в рамках научных сессий НГТУ и расширенного семинара кафедры ТЭС НГТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них: 1 статья в журнале, входящем в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 1 – патент РФ, 4 – в сборниках научных трудов, 11 – в сборниках трудов конференций.

Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (из 104 наименований) и приложений. Основной текст изложен на 177 страницах, содержит 48 рисунков, 24 таблицы.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается использованием разработанных методик (основанных на нормативных методах) расчета котлов и турбомашин, фундаментальных закономерностей технической термодинамики, гидрогазодинамики, теплопередачи, сопротивления материалов. Математические модели и компьютерное моделирование ЭПП базируются на методах, апробированных и хорошо себя зарекомендовавших на решении ряда других задач подобного класса.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы, аннотируются основные положения работы.

В первой главе выполнен обзор высокоэффективных двухконтурных угольных технологий для производства электроэнергии, предлагается схема и цикл (патент № 78868, рис. 1) пылеугольного низконапорного высокотемпературного паропарового энергоблока, показана ее перспективность и технологическая готовность и обосновывается актуальность исследований предложенной схемы.

На основании проведенного анализа сформулированы задачи исследования:

1. Разработка методик термодинамического исследования, анализа показателей тепловой экономичности, расчета конструктивно-компоновочных и техникоэкономических параметров агрегатов высокотемпературного низконапорного контура ЭПП (пылеугольного парового котла, паровых осевых турбины и компрессора) с учетом особенностей теплофизических свойств их рабочих 2. Математическое моделирование функционирования агрегатов и в целом 3. Исследование тепловой экономичности, расходно-термодинамических, конструктивно-компоновочных и технико-экономических параметров ЭПП.

4. Разработка рекомендаций по выбору профиля, параметров, компоновки агрегатов высокотемпературного низконапорного контура ЭПП (парового котла, паровой турбины, парового компрессора) и энергоблока в целом.

Топливо Рис. 1. Тепловая схема и цикл ЭПП: ПК – пылеугольный котел; РПП ОП – радиационный пароперегреватель основного потока пара; КПП ОП – конвективный пароперегреватель основного потока пара; КПП УП – конвективный пароперегреватель утилизационного потока пара; Км – компрессор; ВТТ – высокотемпературная паровая турбина; КУ – котелутилизатор; УтТ – утилизационная турбина; Г – генератор; Кд – конденсатор; ПЭН – питательный электронасос; ВПУ – валоповоротное устройство; П-К – пусковой паровой котел; ПН – пусковой насос; ПКд – пусковой конденсатор; С1, С2 – сепараторы пара; Э1, Э2 – эжекторы; РОУ1, РОУ2 – редукционно-охладительные устройства; Др1, Др2 – дренажи; В1, В2 – воздушники; ХВО – химводоочистка; x, KR, 0, K, Ох, КУ, 0*, K, K* - характерные точки.

Во второй главе изложена разработанная методика исследования ЭПП и его агрегатов.

Методика термодинамического анализа ЭПП заключается в определении основных параметров рабочего тела и показателей тепловой экономичности.

КПД по отпуску электроэнергии ЭПП где lТ h0 hК – работа высокотемпературной турбины; lКм hKR h* – работа парового компрессора; hKR, hK, h*, h0, h0* – энтальпии в характерных точках цикла; hКУ – энтальпия пара утилизационного контура на выходе из котлаk относительный расход пара в утилизационном контуре; i и yi – отбор пара на iй подогреватель и коэффициент недовыработки пара i-го отбора (в случае наУТ) личия системы регенерации в утилизационном контуре); H0 – располагаемый теплоперепад на утилизационную турбину; К, ТР, ЭМ, СН – КПД пылеугольного котла, транспорта энергии, электромеханический, собственных нужд.

Расход натурального топлива B определялся по модели пылеугольного котла, представленного в виде последовательно расположенных поверхностей нагрева, с проверкой на поддержание допустимых температурных напоров и определением температуры уходящих газов где hвых.ут., hвх.ут. – энтальпии пара утилизационного контура на выходе и входе в пылеугольный котел; Qн – низшая теплота сгорания топлива.

Разработанные математические модели функционирования высокотемпературных низконапорных агрегатов (пылеугольного котла, высокотемпературной турбины и парового компрессора) основываются на уравнениях:

энергобаланса расходного баланса где G, h – расход и энтальпия энергоносителя; – коэффициент, учитывающий соответствующие потери энергии; V(i), W(i) – множества входов и выходов агрегата.

Для каждого энергоносителя (в зависимости от конструктивнокомпоновочных показателей и расходно-термодинамических параметров) используются уравнения связей и соответствующие технологические ограничения.

Особенности разработки высокотемпературных низконапорных агрегатов определяются расходно-термодинамическими параметрами пара. Наиболее высокотемпературные поверхности нагрева, перегревающие рабочее тело до начальных температур 1000…1200 С, расположены в топке пылеугольного котла (рис. 2).

Рис. 2. Компоновочная схема высокотемоснован на итерационном решении пературного котла: РПП ОП – радиационный пароперегреватель основного потока; КПП ОП – конвективный пароперегреватель ос- - лучистого теплообмена новного потока; КПП УП – конвективный пас0аК FЗ 4 роперегреватель утилизационного потока паВР ра; ВЗП – воздухоподогреватель.

- абсолютной температуры на внешней поверхности загрязненного экрана - абсолютной эффективной температуры топочной среды где с0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела; FЗ – площадь загрязненной теплообменной поверхности; аК – приведенная степень черноты топочной камеры; ВР – расчетный расход топлива; - коэффициент сохранения тепла; Т а, Т р.с, Т Т – абсолютные температуры: адиабатная горения топлива, средняя рабочей среды в трубах и газов на выходе из топки; З/ З – термическое сопротивление слоя загрязнений; i – поправки, учитывающие влияние вида сжигаемого топлива, угла наклона горелок и степень экранирования топочной камеры на эффективную температуру.

Высокотемпературные турбины (ВТ-турбины) работают в области температур 600…1200 С при располагаемом теплоперепаде около 1600 кДж/кг, что обусловливает технологические требования к сокращению количества ступеней при высоком КПД турбины с учетом оптимального распределения теплоперепада по ступеням:

где u – окружная скорость; сф – фиктивная скорость; ОЛ – относительный лопаточный КПД; 1эф и 2 – эффективный угол входа и угол выхода из рабочей лопаточной решетки; – коэффициент скорости; – степень реактивности.

В области рассматриваемых параметров пара скорость звука в среде составляет 715…910 м/с, что позволяет при теплоперепаде на ступень 150…230 кДж/кг иметь дозвуковые ступени (число Маха меньше 0,7) в ВТтурбине. При постоянной частоте вращения ротора турбины (50 Гц) повышение теплоперепада на ступень приводит к необходимости увеличения корневого диаметра лопаток до максимально возможного уровня 1,5…1,6 м (с учетом технологических ограничений).

Особенности профиля турбины учитываются с использованием зависимостей:

где v2 и v1t – удельный объем пара на выходе из рабочей и сопловой решетки;

e – степень парциальности при дроссельном парораспределении равна 1; 1 – коэффициент расхода; G0 – расход пара через ступень; dк – корневой диаметр;

c2 – скорость выхода из рабочей решетки; n – частота вращения; l1, l2 – высоты сопловой и рабочей лопаток.

Для всех рабочих лопаток был произведен прочностной расчет с определением суммарного напряжения в корневом сечении от действия паровых сил.

Для парового компрессора окружная скорость на периферии лопаток первой ступени находится на уровне 290…460 м/с. Осевая скорость пара для первой ступени составляет 190…240 м/с. Все ступени паровых компрессоров являются дозвуковыми (числа Маха находятся в диапазоне 0,25…0,75). Подбор угла входа в рабочее колесо 1 и приведенной скорости 1 для первой ступени осуществлялся по выражению:

где k – коэффициент адиабаты, R – газовая постоянная, T1* – температура торможения на входе в рабочую решетку.

Располагаемый теплоперепад на осевой паровой компрессор находится на уровне 820 кДж/кг при работе в рассматриваемой области параметров перегретого пара, что обусловливает большое количество ступеней и в ряде случаев двухцилиндровую конструкцию (количество ступеней в одном цилиндре технологически ограничивается значением не более 22).

Высоты лопаток для профиля проточной части компрессора с постоянным корневым диаметром рассчитывались как где dк – корневой диаметр лопатки; p, T – давление и температура торможения перед лопаточной решеткой; – угол входа в решетку; q( ) – приведенный расход газа; kG – коэффициент, учитывающий неравномерность поля осевых скоростей по высоте лопатки и влияние пограничного слоя на наружной и внутренней стенках.

В третьей главе проведен термодинамический анализ схемы и параметров ЭПП, представлены результаты расчетов тепловой схемы, рассмотрено влияние параметров цикла на КПД по отпуску электроэнергии.

Выполненные многовариантные расчеты для давлений пара перед компрессором p* 0,05...1бар, степеней повышения давления в компрессоре =7…40, начальных температурах высокотемпературного контура t0 1000...1500 С показали, что рациональные значения давления пара перед компрессором находятся на уровне p* 0,2...0,3 бар (меньшие давления ограничивают создание установок относительно высокой мощности, более высокие – снижают КПД ЭПП и повышают металлоемкость пылеугольного котла).

Влияние некоторых параметров на КПД ЭПП по отпуску электроэнергии (при использовании кузнецкого каменного угля марки «Г» и КПД агрегатов (высокотемпературной и утилизационной турбин, компрессора), равных 0,9) иллюстрируется рис.3, 4.

Рис. 3. Зависимость N от степени повыше- Рис. 4. Зависимость N от КПД парового В четвертой главе для основных параметров рабочего тела, представленных в табл. 1, приведены результаты многовариантных расчетов расходнотермодинамических и конструктивно-компоновочных параметров высокотемпературных агрегатов (пылеугольного котла при работе на кузнецком каменном угле марки «Г», высокотемпературной паровой турбины и парового осевого компрессора) и их анализ; рассмотрена рациональная компоновка оборудования ЭПП для различных мощностей, установлены ограничения по мощности для выбранных параметров схемы и определен рациональный диапазон мощностей ЭПП.

Энтропия, кДж/(кг К) 7,82 8,01 9,39 9,61 6,29 7,25 7,69 0, Энтальпия, кДж/кг 2644 3609 5149 3706 2946 3551 В табл. 2, для примера, приведены массогабаритные показатели высокотемпературных низконапорных пылеугольных котлов для принятых конструкционных материалов: экранные трубки (диаметром 0,06 м) – алюмоборонитридная композиционная керамика, трубки (диаметром 0,06 м) конвективного пароперегревателя – сталь 12Х18Н10Т, трубки (диаметром 0,038 м) конвективного пароперегревателя утилизационного контура – сталь 12Х1МФ, трубки воздухоподогревателя (диаметром 0,04 м) – сталь 20. Толщина стенок труб для поверхностей нагрева котла находится на уровне 2…3 мм, вследствие относительно невысоких давлений рабочего тела. Для оребренных труб пароперегревателя котла-утилизатора принималась сталь 12Х1МФ, для остальных поверхностей нагрева – сталь 20. Материалы высокотемпературной турбокомпрессорной группы аналогичны материалам высокотемпературных газотурбинных установок, так: для лопаток высокотемпературной турбины – ХН65КМВЮТ, ЭП539ЛМУ, ЭИ893, ЭИ607, ЗМИ-3, ЭП800ВД.

Помимо традиционного сужения по глубине котла на выходе из топки, газоход имеет еще одно сужение по ширине при переходе к КПП УП. КПП ОП состоит из n пакетов труб, скомпонованных в виде m-рядных шахматных пучков с поперечными и продольными шагами 1 2,2...3,2 и 2 1,2...1,4 (m=9).

При такой П-образной компоновке увеличение паропроизводительности приводит к увеличению ширины котла (высота и длина остаются практически неизменными). С повышением паропроизводительности котла усложняется размещение топочных поверхностей нагрева при соблюдении требований по скорости витания частиц, поэтому для мощностей ЭПП в 107 МВт и выше пылеугольные котлы компонуются как двухкорпусные (дубль-блок).

На рис. 5…6 приведены некоторые показатели однопоточных ВТ-турбин, а на рис. 7…8 – результаты расчета показателей ВТ-турбины на 68 кг/с.

Массогабаритные показатели высокотемпературных низконапорных пылеугольных котлов Паропроизводительность корпуса шахты в КПП УП, м воздухоподогревателя, м Площадь поверхности нагрева, м Масса, т, Рис.5. Зависимость высоты рабочих лопа- Рис. 6. Зависимость внутреннего относист кДж/кг Рис. 7. Зависимость располагаемого тепло- Рис. 8. Зависимость чисел Маха M1t и перепада H 0 i ), используемого теплоперепа- M 2t, степени реактивности, чисел Рейда H (i ), давления p* и температуры t * тор- нольдса Re1 и Re2, отношения u / cф от можения перед ступенью от номера ступени Внутренний относительный КПД ВТ-турбины будет находиться на уровне 0,887…0,892 несмотря на относительно невысокий (0,80…0,82) КПД ступеней, что обусловлено большим коэффициентом возврата тепла (почти 10 %).

Максимальная мощность одного потока высокотемпературной паровой турбины достигается при высоте лопаток последней ступени около 600 мм (для существующих высокотемпературных жаропрочных материалов), что для выбранных параметров ЭПП соответствует расходу пара 68…70 кг/с. Поэтому при увеличении мощности энергоблока предлагается установка нескольких ВТтурбин, работающих параллельно (т.е. разделение расхода пара в начале процесса расширения).

Рис. 9. Зависимость высоты рабочих лопа- ляет увеличить располагаемый теплоперепад на одну ступень компрессора ток l2 от номера ступени одно- и двухцилиндровых компрессоров с расходом пара и уменьшить количество ступеней.

68…204 кг/с: 1 – одноцилиндровые; 2 – Для энергоблоков мощностью двухцилиндровые (первый цилиндр); 3 – 60…120 МВт компрессор имеет двухцилиндровую конструкцию (сжатие двухцилиндровые (второй цилиндр).

происходит последовательно в двух цилиндрах), для 135…180 МВт – одноцилиндровую. Создание осевого парового компрессора на заданные параметры для ЭПП менее 60 МВт является проблематичным, вследствие резкого увеличения количества ступеней.

В табл. 3 представлены основные показатели ЭПП.

Рис. 10. Зависимости полной работы сту- Рис. 11. Зависимости коэффициентов расхода пени HК, теоретического напора Hth, давле- c1a, теоретического напора H th, затраченной ния торможения перед ступенью p1, тем- работы, протечек и трения диска заз f, степени реактивности, числа Маха М1 и степени пературы торможения за ступенью t3 от номера ступени МВт Компрессор Утилизационная турбина При мощностях ЭПП менее 120 МВт предполагается одновальная компоновка оборудования (паровой компрессор, ВТ-турбины и утилизационная турбина). При увеличении мощности установку выполняют с разрезным валом, это обусловлено тем, что количество агрегатов на одном валу не может превышать 5 цилиндров. Кроме того, при мощностях ЭПП 135…180 МВт конфигурация высокотемпературной турбокомпрессорной части представляет один компрессор и три ВТ-турбины, причем мощность двух ВТ-турбин равна мощности компрессора. Поэтому на одном валу находятся компрессор и две ВТ-турбины, а привод вала генератора осуществляется одной ВТ-турбиной и одной утилизационной турбиной.

В пятой главе изложена методика и приведены результаты оценки капиталовложений в агрегаты, технические системы и в целом в ЭПП.

Капиталовложения в агрегаты и технические системы включают расходы на изготовление, монтаж, доставку оборудования на место строительства, а также дополнительные пропорционально отнесенные затраты в инфраструктуру ТЭС.

Стоимости конструкционных материалов для пылеугольного котла в расчетах приняты: композитной керамики – 6 долл/кг, 12Х18Н10Т – 10 долл/кг, 12Х1МФ – 6 долл/кг, сталь 20 – 4 долл/кг. Капиталовложения в турбокомпрессорную группу оценивались по массе металла при удельных стоимостях компрессора и высокотемпературной турбины 50 и 100 долл/кг, соответственно.

На рис. 12…13 показаны капитальные вложения в высокотемпературные агрегаты и в целом в ЭПП, а также распределение капвложений по агрегатам и техническим системам для ЭПП мощностью 180 МВт. Два пика на графике связаны с изменением профиля энергоблока: переход от использования одной к применению двух ВТ-турбин и от двух к использованию трех ВТ-турбин.

Удельные капиталовложения в ЭПП лежат в диапазоне от 1200 до долл/кВт, что находится на уровне новых угольных технологий. Большую долю капиталовложений в ЭПП составляют капвложения в пылеугольный котел и высокотемпературную турбокомпрессорную группу, причем с увеличением мощности доля пылеугольного котла растет от 14 до 21 %, а доля турбогруппы падает от 34 до 19 %. Стоимость котла-утилизатора составляет около 60 % от капиталовложений в пылеугольный котел.

Рис. 12. Зависимость удельных капита- Рис. 13. Распределение капиталовложений в ЭПП ловложения в высокотемпературные 180 МВт:

агрегаты Ki и ЭПП в целом KЭПП от 1 – пылеугольный котел, 2 – высокотемпературмощности энергоблока N: 1 – паровой ная турбокомпрессорная группа, 3 – котелкомпрессор, 2 – высокотемпературные утилизатор, 4 – топливоподача и топливоподгопаровые турбины, 3 – пылеугольные товка, 5 – система газоотвода, 6 – утилизационкотлы. ная турбина, 7 – электрическая часть, 8 – низкопотенциальная группа, 9 – АСУ ТП и КИП, 10 –

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена новая схема высокотемпературного низконапорного двухконтурного паропарового энергоблока, защищенная Патентом РФ.

2. Разработаны методики термодинамического исследования, анализа показателей тепловой экономичности, расчета конструктивно-компоновочных и технико-экономических параметров агрегатов высокотемпературного низконапорного контура ЭПП (пылеугольного парового котла, паровых осевых турбины и компрессора с учетом особенностей теплофизических свойств их рабочих тел).

3. Выполнено математическое моделирование функционирования агрегатов и в целом ЭПП, учитывающее двухконтурность схемы и изменение (с учетом технических ограничений) расходно-термодинамических и конструктивнокомпоновочных параметров агрегатов энергоблока.

4. Выполнены многовариантные расчеты ЭПП и показано:

тепловая экономичность может достигать 50…51 %, соотношение между мощностями высокотемпературной и утилизационной частями ЭПП составляет (1,1…1,25):1, затраты на собственные нужды – около 3…6 %;

рациональные начальные параметры пара высокотемпературного контура – 1200…1300 С и 8…11 бар, степени повышения давления 25…35;

рациональная компоновка котлов – П-образная однокорпусная, а при мощностях более 107 МВт – П-образная двухкорпусная при тепловых напряжениях экранных поверхностей 18…20 кВт/м2, топочного объема около 100 кВт/м3 и тепловой экономичности 93 %;

для основного (высокотемпературного) потока пара диаметры труб поверхностей нагрева – 50…60 мм, а для перегревателя утилизационного контура количество ступеней высокотемпературных паровых турбин – 9…11 при корневом диаметре лопаток 1,5…1,6 м, высотах лопаток 59…591 мм, частоте вращения 50 Гц, располагаемом теплоперепаде на турбину на уровне 1600 кДж/кг и внутреннем относительном КПД – 88,5…89,2 %;

компрессор имеет двухцилиндровую конструкцию для ЭПП мощностью 60…120 МВт, для 135…180 МВт – одноцилиндровую при корневом диаметре лопаток 1…1,6 м, количестве ступеней в одном цилиндре 12…22, высотах лопаток – 70…720 мм, располагаемом теплоперепаде на компрессор около 820 кДж/кг, КПД – 85…86,5 %;

в качестве материала экранных труб высокотемпературных парогенерирующих поверхностей целесообразно применение алюмоборонитридной композиционной керамики (около 10 % от массы всех поверхностей), для остальных поверхностей нагрева – традиционных котельных сталей (12Х18Н10Т, 12Х1МФ, сталь 20), для лопаток турбин – жаропрочных сплавов на никелевой и никель-кобальтовой основе (ХН65КМВЮТ, ЭП539ЛМУ, ЭИ893, ЭИ607, ЗМИ-3, ЭП800ВД), для лопаток компрессоров – хромистых (нержавеющих) сталей (20Х13Ш, ЭИ961Ш, ЭП517Ш);

при технологически рациональных мощностях ЭПП 60…120 МВт целесообразна одновальная компоновка оборудования (паровой компрессор, ВТтурбины, утилизационная турбина, электрогенератор), а при 135…180 МВт – с разрезным валом (компрессор и две ВТ-турбины – на одном валу, одна ВТ-турбина, утилизационная турбина и электрогенератор – на другом);

капиталовложения в собственно ЭПП находятся на уровне в 1200…1625 долл/кВт.

Совокупность полученных результатов составляет научную новизну диссертации.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях, определенных ВАК 1. Квривишвили, А. Р. Конструктивные показатели высокотемпературного низконапорного паропарового энергоблока / А. Р. Квривишвили // Теплофизика и аэромеханика. – 2007, Т. 14. – № 2. – С. 313 – 322.

Отраслевые издания, патенты и материалы конференций 2. Kvrivishvili, А. R. Power generating units high thermal effectivity of power station / А. R. Kvrivishvili, A. P. Kaloshin, O. K. Grigoryeva, О. V. Borush, P. А. Schinnicov, G. V. Nozdrenko // Proc. The 9th Russian-Korean Int. Symposium on Science and Technology. KORUS 2005. – Part 2. – June 27 – July 2, 2005, Novosibirsk State Technical University, Russia. – Novosibirsk, 2005 – Vol. 1. – P. – 338. [Энергоблоки тепловых электрических станций высокой тепловой экономичности] 3. Квривишвили, А. Р. Расходно-термодинамические и конструктивнокомпоновочные параметры пылеугольного котла паропарового энергоблока / А. Р. Квривишвили // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты: сб. науч.

трудов / под ред. акад. РАН В.Е. Накорякова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – Вып.9. – C. 130 – 138.

4. Квривишвили, А. Р. Термодинамические исследования схемы паропарового энергоблока / А. Р. Квривишвили // Энергетика: экология, надежность, безопасность: материалы докладов одиннадцатой Всероссийской научно-технической конференции, Томск, 7-9 декабря 2005 г. / Томский политехнический университет; Российский фонд фундаментальных исследований; Международная энергетическая академия; Международная академия наук экологии и безопасности жизнедеятельности. — Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – С. 215 – 218.

5. Kvrivishvili, A. R. Thermodynamic modeling and calculation of technical design parameter for a coal-fired high-temperature boiler in a combined steam-cycle power unit / A. R. Kvrivishvili, G. V. Nozdrenko // Tagungsunterlagen. XXXVII. Kraftwerkstechnisches Kolloquium. Heizkraftwerke und dezentrale Energieerzeuger. – 18.

und 19. Oktober 2005 im Congress Center Dresden, Technische Universitt Dresden, Institut fr Energietechnik, Germany. – Dresden, 2005 – Tagungsband II. – P15, S. 200 – 203. [Термодинамическое моделирование и расчет конструктивнокомпоновочных параметров пылеугольного высокотемпературного котла паропарового энергоблока] 6. Квривишвили, А. Р. Особенности конструкторского теплового расчета высокотемпературной турбины паропарового энергоблока / А. Р. Квривишвили // НАУКА, ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях, часть 3. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – С. 66 – 67.

7. Квривишвили, А. Р. Экономия топлива на ТЭС за счет применения двухконтурных энергоблоков / А. Р. Квривишвили, А. П. Калошин, О. К. Григорьева, О. В. Боруш // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности. Материалы Пятой Российской научно-технической конференции, г.

Ульяновск, 20-21 апреля 2006 г. Том 2. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – С. 151 – 154.

8. Квривишвили, А. Р. Схемно-параметрическая оценка перспективности применения на пылеугольных ТЭС паровых энергоблоков / А. Р. Квривишвили, Г. В. Ноздренко // Проблемы рационального использования топливноэнергетических ресурсов и энергосбережения: сб. науч. трудов. – Саратов: Издво СГТУ, 2006. – С. 154 – 164.

9. Квривишвили, А. Р. Исследование эффективности, технологической готовности пылеугольных паропаровых энергоблоков и определение конструктивнокомпоновочных параметров основных высокотемпературных агрегатов / А. Р. Квривишвили // Всероссийская конференция – конкурс инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и энергосбережение», 26 – 29 сентября 2006 г. Труды конференции. – Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2006. – С. 396 – 403.

10. Квривишвили, А. Р. Расчет высокотемпературных агрегатов паропарового энергоблока с оценкой капиталовложений / А. Р. Квривишвили // НАУКА, ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.

Часть.3 – С. 148 – 150.

11. Квривишвили, А. Р. Конструктивно-компоновочные параметры высокотемпературных агрегатов паропарового энергоблока / А. Р. Квривишвили // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты: сб. науч. трудов / под ред. акад. РАН В.Е. Накорякова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – Вып.10. – С. 64 – 72.

12. Kvrivishvili, A. R. Features of a choice of technical design parameters of combined steam-cycle power unit high-temperature sets / A. R. Kvrivishvili // Proceedings of IFOST 2007. The Second International Forum on Strategic Technology. – October 3-5, 2007, Mongolian University of Science and Technology, Ulanbaatar, Mongolia. – Ulanbaatar, 2007 – P. 353 – 358. [Особенности расчета конструктивно-компоновочных параметров высокотемпературных агрегатов паропаровых энергоблоков] 13. Квривишвили, А. Р. Особенности расчета конструктивно-компоновочных параметров турбокомпрессорной группы паропаровых энергоблоков / А. Р. Квривишвили // НАУКА, ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. Часть.3 – С. 164 – 165.

14. Квривишвили, А. Р. Высокотемпературная турбогруппа паропаровых энергоблоков / А. Р. Квривишвили // Материалы докладов III молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» посвященной 40летию КГЭУ / Под общ. ред. д-ра физ-мат. наук, проф. Ю.Я.Петрушенко. В 4 т.;

Т.2. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2008. – С. 133 – 134.

15. Kvrivishvili, A. R. High-temperature turbocompressor set of combined steamcycle power units / A. R. Kvrivishvili // Proceedings of IFOST 2008. The Third International Forum on Strategic Technology. – June 23-29, 2008, Novosibirsk State Technical University, Russia. – Novosibirsk, 2008 – P. 524 – 526. [Высокотемпературная турбокомпрессорная группа паропаровых энергоблоков] 16. Квривишвили, А. Р. Теплоэнергетическая установка [текст] : пат. 78868 Рос.

Федерация : МПК F01K 11/00 / А. Р. Квривишвили, Г. В. Ноздренко, П. А.

Щинников; патентообладатель Новосибирский гос. тех. ун-т. – № 2008127035/22; заявл. 02.07.08; опубл. 10.12.08, Бюл. № 34. – 2 с. : ил.

17. Квривишвили, А. Р. Паропаровой энергоблок: эффективность, параметры и капиталовложения / А. Р. Квривишвили, Г. В. Ноздренко // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты: сб. науч. трудов / под ред. акад. РАН В.Е. Накорякова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. – Вып.12. – С. 41 – 58.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета формат 60 Х 84/16, объем 1.25 п.л., тираж 100 экз..