Введение к работе
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
увеличения их экономичности за счет модернизации основного и вспомогательного оборудования весьма ограничены.
Эффективным способом существенного увеличения экономичности и единичной мощности энергоблоков АЭС является переход к гибридным блокам с использованием внешнего, по отношению к ядерной 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 исполнения пароперегревателя и решить вопросы, связанные с 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:
Разработка новых тепловых схем гибридных энергоблоков АЭС с внешним, по отношению к ядерной паропроизовдящей установке, перегревом пара как за счет использования для этой цели теплоты сгорания органического, так и водородного топлива. Оценка предлагаемых решений с точки зрения получаемого эффекта.
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.
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 котле-
пароперегревателе.
Котел-пароперегреватель, обеспечивающий перегрев пара после ядерной паропроизводящей установки до температуры 600-620С и его промежуточный перегрев после цилиндра высокого давления турбины.
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 870С.
5. Водородную камеру сгорания, обеспечивающую перегрев
насыщенного пара после ЯППУ до температуры 870С с охлаждением
продуктов сгорания насыщенным паром, покидающим ЯППУ.
Научная новизна
1. На основе анализа существующих способов повышения экономичности
и мощности паротурбинных блоков АЭС научно обоснована
целесообразность использования для указанных целей внешнего перегрева
пара теплотой сгорания как органического, так и водородного топлива.
2. Разработаны тепловые схемы гибридных блоков АЭС при
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 600-650С, на втором этапе при использовании водородного
топлива - до 800-870С.
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
870С.
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 50%, что соизмеримо и даже превышает КПД энергоблоков с
суперкритическими параметрами пара и вплотную приближается к тепловой экономичности парогазовых установок с начальной температурой газов перед газовой турбиной порядка 1100-1200С.
Создание сверхмощного энергоблока на базе водо-водяных 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 2011 "Compressor & Turbine flow system, Theory & Application Areas", г. Лодзь, Польша в 2011 году; международной научной школе "Проблемы 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 2011 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
