На правах рукописи

Рогалев Андрей Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ

ПАРОТУРБИННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Специальность 05.14.01 – Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

МОСКВА 2012 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Национальном исследовательском университете Московский энергетический институт»(ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Зарянкин Аркадий Ефимович профессор кафедры «Паровых и газовых турбин» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет Московский энергетический институт»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Томаров Григорий Валентинович, профессор кафедры «Теплоэнергетические установки» ФГБОУ ВПО Московского государственного открытого университета им.

В.С. Черномырдина кандидат технических наук, доцент Жинов Андрей Александрович, зав. кафедрой «Тепловых двигателей и теплофизики(К1-КФ)» Калужского филиала ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский теплотехнический институт» (ОАО «ВТИ»)

Защита состоится 17 мая 2012 г. в 14-00 в аудитории Б-205 на заседании диссертационного совета Д 212.157.14 при ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ» по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул.

Красноказарменная, 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»

Автореферат разослан 16 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. к.т.н., доцент Зверьков В.П.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы исследования В связи с продолжающимся ростом энергопотребления и большим износом, как физическим, так и моральным, действующего оборудования российских электростанций необходимо в ближайшее время обеспечить ускоренный ввод новых генерирующих мощностей и замену энергоагрегатов, выработавших свой ресурс.

В соответствии с энергетической стратегией России производство электрической энергии атомными электростанциями до 2020 года должно возрасти более чем вдвое. Такой рост выработки электроэнергии может быть обеспечен при ежегодном вводе 2 ГВт мощности на атомных станциях России.

Главными задачами развития атомной энергетики являются повышение ее эффективности и конкурентоспособности, снижение уровня удельных капитальных затрат.

Наращивание мощностей до 2020 года планируется за счет введения новых энергоблоков с хорошо освоенной реакторной установкой ВВЭР-1000.

Однако АЭС с подобными реакторами имеют сравнительно низкие начальные параметры пара, вследствие чего они существенно уступают в экономичности традиционным тепловым электростанциям. Существенное увеличение экономичности может быть получено лишь в результате использования принципиально других типов ядерных паропроизоводящих установок, генерирующих пар с более высокими параметрами. Такими реакторными установками являются ректоры на быстрых нейтронах и газоохлаждаемые реакторы, но быстрый ввод мощностей на базе этих реакторов в ближайшее время вряд ли возможен, поскольку не освоено их серийное производство.

Следовательно, для реализации указанной стратегии развития атомной энергетики необходимо за 10 лет ввести 20 атомных энергоблоков мощностью 1000МВт на базе ректора ВВЭР-1000. При этом резервы вспомогательного оборудования весьма ограничены.

Эффективным способом существенного увеличения экономичности и единичной мощности энергоблоков АЭС является переход к гибридным паропроизводящей установке(ЯППУ), перегрева пара, позволяющего перейти к высокотемпературной технологии производства электроэнергии.

Для реализации такого проекта необходимо проработать вопросы, связанные с перегревом пара после ядерной паропроизводящей установки, разработать новую тепловую схему энергоблока, предложить варианты проектированием новой высокотемпературной паровой турбины предельно большой мощности.

Цель диссертационной работы – вариантные исследования возможных тепловых схем гибридных АЭС с внешним, по отношению к ядерной паропроизводящей установке, перегревом пара. Обоснование возможностей практической реализации предлагаемых вариантов гибридных энергоблоков АЭС.

Основные задачи исследования:

1. Разработка новых тепловых схем гибридных энергоблоков АЭС с перегревом пара как за счет использования для этой цели теплоты сгорания органического, так и водородного топлива. Оценка предлагаемых решений с точки зрения получаемого эффекта.

2. Разработка пароперегревателя для гибридной АЭС, работающего на органическом топливе.

3. Разработка водородной камеры сгорания, предназначенной для перегрева пара после ЯППУ гибридной АЭС, и численное моделирование процессов, протекающих в ней.

4. Разработка новой высокотемпературной паровой турбины для гибридной АЭС с водородным перегревом пара.

Разработка новых цилиндров низкого давления повышенной пропускной способности для сверхмощной высокотемпературной турбины гибридной АЭС.

Направления исследований Работа направлена на исследование эффективности применения различных вариантов внешнего, по отношению к ЯППУ перегрева пара, а также поиск и обоснование конструкции нового основного оборудования гибридных АЭС, позволяющих осуществить практическую реализацию сверхмощных гибридных энергоблоков.

Методы исследований и достоверность полученных результатов При выполнении работы использовались отработанные методики расчета показателей тепловой экономичности энергоустановок, их конструктивных параметров и расчетные программные продукты, что позволяет считать полученные результаты достоверными.

Автор защищает 1. Тепловую схему гибридной АЭС с внешним перегревом пара в котлепароперегревателе.

2. Котел-пароперегреватель, обеспечивающий перегрев пара после ядерной паропроизводящей установки до температуры 600-620°С и его промежуточный перегрев после цилиндра высокого давления турбины.

3. Новый двухъярусный ЦНД для сверхмощной паровой турбины гибридной АЭС.

4. Тепловую схему гибридной АЭС с водородным перегревом пара после реактора и высокотемпературной турбиной типа К-2700-5.9/50 с начальной температурой пара 870°С.

5. Водородную камеру сгорания, обеспечивающую перегрев насыщенного пара после ЯППУ до температуры 870°С с охлаждением продуктов сгорания насыщенным паром, покидающим ЯППУ.

Научная новизна 1. На основе анализа существующих способов повышения экономичности целесообразность использования для указанных целей внешнего перегрева пара теплотой сгорания как органического, так и водородного топлива.

использовании различных схем огневого перегрева пара и проведены сравнительные расчеты предложенных схем.

3. Обоснована целесообразность на первом этапе создания гибридных блоков увеличения температуры пара при использовании органического топлива до 600-650°С, на втором этапе при использовании водородного топлива - до 800-870°С.

4. Впервые выполнены тепловые и конструктивные расчеты, и проведено эскизное проектирование внешнего котла-пароперегревателя сверхвысокой производительности (1630,5 кг/с).

5. Проведено численное моделирование процесса горения в жаровых трубах и на этой основе выполнено эскизное проектирование водородных камер сгорания, позволяющих обеспечить перегрев пара до температуры 870°С.

6. Показана принципиальная возможность создания сверхмощной паровой турбины, мощностью 2000-2700МВт на основе новых двухъярусных ступеней.

Практическая значимость Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение, поскольку разработанные методы и конструктивные решения обосновывают возможность создания сверхмощных энергоблоков АЭС с КПД на уровне традиционных тепловых электростанций, при этом коэффициент использования теплоты сгорания органического топлива, на базе которого происходит выработка дополнительной электрической мощности, достигает суперкритическими параметрами пара и вплотную приближается к тепловой экономичности парогазовых установок с начальной температурой газов перед газовой турбиной порядка 1100-1200°С.

энергетических реакторов электрической мощностью 1000 МВт и более позволяют существенно сократить сроки ввода в эксплуатацию новых генерирующих мощностей при резком снижении удельных капитальных затрат.

Апробация результатов диссертационной работы Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

международной конференции "Power system engineering, thermodynamics and fluid flow", г. Пльзень, Польша в 2007 и 2009 годах; международной конференции "Research and development in Power Engineering", г. Варшава, Польша в 2009 и 2011 годах; международной конференции "European conference on Turbomachinery Fluid dynamics and Thermodynamics", г. Грац, Австрия в 2009 году; международном симпозиуме SYMCOM "Compressor & Turbine flow system, Theory & Application Areas", г. Лодзь, газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях", г.

Москва, Россия в 2011 году; международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии", г.

Иваново, Россия в 2011 году; международной конференции "Энергетические установки, тепломассообмен и процессы горения", г. Москва, Россия в году; международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", г. Москва, Россия в 2010 и 2011 годах; на научном семинаре кафедры ТЭС ГОУ ВПО «МЭИ(ТУ)» в 2011 году; на заседании кафедры ТЭС ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ» в 2012 году.

Публикации По исследуемой проблеме опубликовано 10 печатных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, списка используемой литературы, включающего 95 наименований. Работа изложена на 232 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками и включает 47 таблиц.

Краткое содержание работы В первой главе представлен обзор литературных источников, посвященных вопросам, связанным с областью исследования. Рассмотрены типы эксплуатируемых атомных электростанций, созданных на базе различных реакторных установок. Приведены технологические схемы указанных электростанций, описаны особенности их эксплуатации и приведены основные характеристики энергоблоков, в том числе их тепловая экономичность. Проанализированы возможные способы повышения экономичности и единичной мощности атомных электростанций. Отдельный раздел обзора посвящен проблемам применения водорода в энергетике и методам его получения.

сформулированы цели и задачи настоящего исследования.

Во второй главе анализируются возможные способы повышения температуры пара после парогенератора ЯППУ и рассматриваются два варианта перехода к гибридным АЭС:

1. Первый вариант - возможность создания гибридной АЭС с внешним перегревом пара в ближайшем будущем, предполагающий использование для перегрева насыщенного пара после ЯППУ за счет использования теплоты сгорания органического топлива, сжигаемого в котле-пароперегревателе.

2. Второй вариант, рассчитанный на долгосрочную перспективу, предполагает возможность создания атомно-водородного энергоблока, в котором перегрев насыщенного пара после парогенераторов ЯППУ осуществляется в водородной камере сгорания (КС), где происходит сжигание водорода с кислородом с образованием высокотемпературного водяного пара, который смешиваясь с основным потоком насыщенного пара, позволяет получить необходимую температуру рабочего тела на входе в паровую турбину.

Вторая глава посвящена выбору параметров пара для новых тепловых схем гибридной АЭС и анализу этих схем. Рассмотренные варианты тепловых схем для гибридных АЭС приведены на рис. 1.

Рис. 1 Исследуемые тепловые схемы гибридных АЭС.

В качестве базы для сравнения и оценки эффектов, получаемых от перехода к гибридным атомным электростанциям, была принята стандартная схема турбоустановки АЭС К-1000-5.9/50 ЛМЗ, работающая с реакторной установкой ВВЭР-1000.

Как и следовало ожидать, наибольший эффект дает водородный перегрев пара. Однако, для его осуществления требуется весьма большой расход как водорода, так и кислорода. В этой связи, с целью снижения расхода водорода и кислорода рассматривается комбинированная тепловая схема с последовательным перегревом пара сначала в котле-пароперегревателе до уровня температур, освоенного в котлостроении, а затем в водородной камере сгорания. Указанный вариант по своим характеристикам занимает промежуточное положение между схемами с перегревом пара за счет теплоты сгорания органического и водородного топлив.

Несмотря на высокие показатели тепловой экономичности гибридных АЭС с водородным перегревом пара, такие электростанции представляют высокотемпературная паровая турбина с начальной температурой пара, равной 870°С, являются принципиально новыми агрегатами, не имеющими аналогов ни в отечественном, ни в зарубежном энергомашиностроении.

Соответственно, первым этапом перехода к гибридным атомным электростанциям должны стать гибридные АЭС с перегревом пара в котлепароперегревателе, работающем на органическом топливе.

В работе рассмотрены два варианта исполнения гибридного энергоблока с огневым перегревом пара:

а) АЭС с перегревом пара после ЯППУ до температуры 600°С;

б) АЭС с перегревом пара до 600°С с последующим его промежуточным перегревом до 620°С.

Показатели тепловых схем гибридных энергоблоков приведены в табл.1.

Основные показатели гибридных энергоблоков АЭС Параметр Давление за парогенератором Температура за парогенератором Расход пара за парогенератором Начальное давление пара Начальная температура пара Расход пара в голову турбины Давление Температура Расход пара после Расход природного газа Расход водорода на ЯППУ(КС1) Расход водорода на Дополнительный Дополнительный Температура питательной воды Давление в конденсаторе Электрическая турбоустановки Дополнительная мощность Тепловая мощность реакторной МВт 2951,00 2951,00 2951,00 2951,00 2951,00 2951,00 2951, установки Тепловая мощность пароперегревателя Электрический КПД турбоустановки Коэффициент полезного использования топлива при выработке дополнительной электрической мощности Третья глава посвящена расчетам и конструктивной проработке котловпароперегревателей, работающих на органическом топливе, определению их конструктивных особенностей.

Конструирование котла-пароперегревателя осуществлялось на параметры Основными задачами

при конструировании котла-пароперегревателя были:

паровому тракту;

- обеспечение высокой надежности;

- обеспечение нормативов экологических показателей.

Конструктивная схема котла-пароперегревателя для гибридной АЭС с перегревом пара до 600°С и последующим промежуточным перегревом до 620°С показана на рис. 2, его основные характеристики представлены в табл.2.

Несмотря на большой расход пара в 1630,5 кг/с, соответствующий паропроизводительности ядерной паропроизводящей установки с реактором ВВЭР-1000, тепловая мощность, а соответственно, и расход топлива пароперегревателя соизмеримы с аналогичными показателями котельного агрегата ТГМП-204, работающего в блоке с турбоустановкой К-800-23.5/ ЛМЗ.

Рис. 2 Конструктивная схема котла-пароперегревателя для гибридной Однако, новый котел-пароперегреватель имеет существенные отличия от традиционных энергетических котлов. Так, во всех поверхностях нагрева, в том числе и в экранных, протекает однофазный теплоноситель - пар. Для обеспечения требуемого гидравлического сопротивления предложено снизить значения массовых скоростей пара в обогреваемых трубах, отказавшись от использования многоходовых поверхностей нагрева и организовав движение рабочего тела во всех трубных поверхностях в один ход. Такое решение ведет к снижению надежности, обеспечение которой предложено выполнить за счет применения для изготовления поверхностей нагрева сталей и сплавов более высокого качества.

Основные характеристики котла-пароперегревателя для гибридной АЭС Температура вторичного пара на входе в Габаритные размеры Глава четвертая посвящена исследованию возможностей создания водородных пароперегревателей.

Для реализации атомно-водородной электростанции было проведено конструирование водородной камеры сгорания для перегрева насыщенного пара.

отличающихся конструктивным исполнением фронтового устройства: а) окислителю и б) камер сгорания с лопаточным завихрителем. На рис. 3 и показаны распределения температур в среднем сечении жаровой трубы для завихрителем соответственно. Основные расчетные характеристики указанных водородно-кислородных камер сгорания представлены в табл. 3.

Рис. 3 Поле температур в жаровой трубе прямоточной КС.

Рис. 4 Поле температур в жаровой трубе КС с лопаточным завихрителем.

Обе конструкции позволяют получить высокий КПД КС на уровне 98%.

Габаритные размеры камер сгорания обоих конструкций отличаются незначительно и имеют огромное преимущество по массогабаритным характеристикам перед котлом-пароперегревателем, работающим на органическом топливе.

Основные характеристики водородно-кислородных камер сгорания Параметры КС Размерность соосными струйными лопаточным Максимальная температура пламени Габаритные размеры жаровой трубы Пятая глава посвящена разработке новой сверхмощной паровой турбины для гибридной АЭС.

Введение перегрева пара позволяет исключить из тепловой схемы сепаратор-пароперегреватель, что существенно увеличивает массовый расход пара как через цилиндр высокого(ЦВД), так и через цилиндры низкого(ЦНД) давления. Кроме того, вследствие повышения температур пара существенно увеличивается и объемный расход пара.

Основной проблемой при создании турбины для гибридной АЭС является проблема пропуска увеличенного расхода пара в конденсатор. Для решения этой проблемы разработан двухъярусный цилиндр низкого давления на основе двухъярусных ступеней, продольный разрез которого приведен на рис. 5.

Рис. 5 Продольный разрез двухъярусного ЦНД по правой половине.

Применение двухъярусных ступеней во всем цилиндре, а не только предпоследней ступени, позволяет реализовать полуторный выхлоп, что обеспечивает увеличение площади выхлопа с 10-11м2 до 15м2 при сохранении существующей длины лопатки последней ступени. Предлагаемое решение позволяет пропустить увеличенный расход пара в конденсатор и создать быстроходную паровую турбину с длиной лопатки последней ступени 1200мм мощностью 2000МВт без увеличения числа цилиндров низкого давления.

Переход к гибридным атомно-водородным электростанциям с высокотемпературными паровыми турбинами с начальной температурой пара 870°С приводит к увеличению объемного расхода через ЦВД турбины в 2.5 раза, что вызывает определенные трудности уже при создании цилиндров высокого давления новой паровой турбины. В работе предложена конструкция высокотемпературных цилиндров высокого давления новой сверхмощной паровой турбины. Продольный разрез высокотемпературного цилиндра высокого давления показан на рис. 6, а продольный разрез новой сверхмощной турбины на рис. 7.

Рис. 6 Продольный разрез высокотемпературного ЦВД.

Рис. 7 Продольный разрез новой сверхмощной высокотемпературной Выводы 1. Проведенное сравнение предложенных тепловых схем показало, что переход к внешнему перегреву пара при предложенных методах организации перегрева увеличивает установленную мощность блока АЭС на базе существующего реактора в 1.7-2.7 раза с одновременным увеличением КПД турбоустановки до 39-49%, в зависимости от используемой схемы перегрева пара.

2. Проведенная оценка экономичности выработки дополнительной мощности на базе введенного внешнего перегрева показала, что при использовании органического топлива КПД приближается к 50%, а при использовании водородного топлива превышает 60%. Указанные КПД находятся на уровне показателей энергоблоков с суперктритическими параметрами пара и лучших образцов ПГУ с начальной температурой газа 1300-1500°С соответственно.

Разработан эскизный проект нового сверхмощного котлапароперегревателя, обеспечивающего перегрев пара до 600°С, с тепловой мощностью 2031МВт и КПД 95.4% 4. Проведено математическое исследование процесса горения водорода как в кислородной среде, так и в кислородно-паровой среде, позволившее провести подробные исследования процесса горения и на этой базе разработать конструктивные схемы водородных камер сгорания.

5. Разработан эскизный проект двухъярусного цилиндра низкого давления с применением принципиально новой двухъярусной ступени, позволившей на 50% увеличить предельную пропускную способность ЦНД с сохранением существующей длины лопаток последней ступени.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Турбоустановка АЭС с внешним перегревом пара / Зарянкин А.Е.

Рогалев Н.Д. Лысков М.Г., Рогалев А.Н. // Вестник МЭИ. 2011. №4. С.

12- 2. Super powerful steam superheaters and turbines for hybrid nuclear power plants/ Zaryankin A.E., Lyskov M.G., Arianov S.V., Rogalev A.N. // Journal of Power Technologies. 2011. №12. Рp. 191- 3. Turbine of Nuclear Power Plant with outer steam superheater / Zaryankin A.E., Zroichikov N.A., Arianov S.V., Rogalev A.N. // proceedings of 6-th conference on Power System Engineering, Thermodynamics and Fluid Flow.

Pilsen, Czech Republic. June 16-17. 2007. Рp. 229- 4. Super powerful steam turbine for hybrid nuclear power plants / Zaryankin A.E., Zaryankin V.A., Arianov S.V., Kraushkin P.M., Rogalev A.N. // proceedings of conference 8th European conference on Turbomachinery Fluid dynamics and Thermodynamics. Graz. Austria. March 23-27. 2009. Рp. 1149- 5. Hybrid electric power installations with high temperature steam turbines and hydrogen steam superheating / Zaryankin A.E., Sedlov A.S., Arianov S.V., Rogalev A.N. // proceedings of 9-th conference «Research&Development in Power Engineering». Warsaw. Poland. December 8-11. 2009. Рp. 342- 6. Применение высокотемпературных паровых турбин в парогазовых энергетических установках и в паротурбинных установках АЭС / Рогалев конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. том 3. Москва. Россия. 24-25 февраля 2010. с. 209- 7. Prospect and technical possibility of the passage to hybrid nuclear power plants with outer steam superheater / Zaryankin A.E., Rogalev A.N., Arianov S.V.

// proceedings of conference SYMCOM 2011. Lodz. Poland. October 26-28. 2011.

pp. 235- 8. Предпосылки и перспективы создания гибридных АЭС с водородным перегревом пара после реакторного парогенератора / Рогалев А.Н. // сборник трудов 17-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. том 3. Москва.

Россия. 24-25 февраля 2011. с. 188- 9. Гибридные АЭС с внешним по отношению к реактору перегревом пара / Зарянкин А.Е., Рогалев А.Н. // сборник трудов международной научнотехнической конференции Состояние и перспективы развития электротехнологии(XVI Бенардосовские чтения). том 2. Иваново. Россия. 1- июня 2011. стр. 79- 10. Высокотемпературные технологии производства электроэнергии на АЭС с реакторными установками ВВЭР-1000 / Зарянкин А.Е., Лысков М.Г., Рогалев А.Н. // тезисы докладов международной научной школы Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических технологиях. Москва.

Россия. 5-7 сентября 2011. с. 179- Типография ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ», Красноказарменная, 13.