Содержание к диссертации
Стр.
Условные обозначения и сокращения 4
ВВЕДЕНИЕ 8
Глава 1 Современное состояние исследований и технических
решений в области технологий производства электроэнергии с
использованием турбоустановок 16
1.1 Характеристики газотурбинных и паротурбинных установок 16
1.2 Основные тенденции совершенствования современных
турбинных установок 17
1.3 Технологии производства электроэнергии с использованием
водородного топлива 21
Выводы 31
Постановка задачи исследований 33
Глава 2 Разработка методики, алгоритма и программы расчета
циклов ПТУ с использованием комбинированного, в том числе
водородного топлива 34
2.1 Основные положения методики выполнения расчетов 34
-
Разработка единого алгоритма расчета циклов различных тепловых схем. Принцип построения программы. 39
-
Типовые элементы тепловых схем и алгоритмы их расчета 42
-
Результаты тестовых расчетов, их сравнение с опубликованными данными. 53
Выводы 56
Глава 3 Результаты расчетов различных схем ПТУ с
комбинированным подводом теплоты и их анализ 58
-
Основные исходные данные 58
-
Схема с ВПП без регенерации и промперегревов 60
-
Схема с регенеративными отборами 66
-
Схемы с промежуточными перегревами пара 71 Выводы 83
Глава 4 Экспериментальные исследования газовых турбин
малой мощности 86
-
Методы экспериментального исследования 86
-
Описание экспериментального стенда 89
-
Методы расчета погрешностей 93
4.4 Результаты экспериментального исследования и их анализ 99
Выводы 102
Глава 5 Разработка научно-технических предложений по
созданию высокотемпературных турбинных установок малой и
средней мощности 105
-
Анализ конструкций 105
-
Анализ систем охлаждения проточной части 108
5.3 Обоснование научно-технических предложений по
формированию конструктивно-компоновочных схем
высокотемпературных турбин мощностью 50...500 кВт и
6...25 МВт. 121
Выводы 138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141
ЛИТЕРАТУРА 143
Условные обозначения и сокращения
ПТУ - паротурбинная установка;
ГТУ- - газотурбинная установка;
ЛГУ- - парогазовая установка;
ВПГ - водородный парогенератор;
ВПП - водородный пароперегреватель;
ПРЭ - подогреватель регенеративный эквивалентный;
ПО - пароохладитель;
ВН - водонагреватель;
ВТ - водородное топливо;
ЦВД - цилиндр высокого давления;
ЦНД - цилиндр низкого давления;
СА - сопловой аппарат;
РК - рабочее колесо.
h, МДж/кг - удельная энтальпия или просто энтальпия;
h* - энтальпия продуктов сгорания водорода в кислороде;
5, Дж/кг - удельная энтропия;
/, С - температура;
Т, К - абсолютная температура;
р, МПа - абсолютное давление;
v, м /кг - удельный объем;
р, кг/м3 - плотность;
х - степень сухости;
G, кг/с - массовый расход;
Q, МДж/кг - удельный расход тепла (отнесен к 1 кг/с расхода пара, поступающего из котла);
a - отношение массового расхода водородного
топлива к расходу основного пара на входе в
ВПП;
Яу отношение суммарного (для циклов с
промперегревами) массового расхода водородного топлива во всех ВПП для ПТУ с промперегревами к расходу основного пара на выходе из котла;
к - показатель адиабаты;
R, кДж/кг град. - газовая постоянная;
ср, кДж/кг град - удельная теплоемкость при постоянном давлении;
cv, кДж/м3 град - удельная теплоемкость при постоянном объеме;
q"p , МДж/кг - низшая теплотворная способность топлива;
qp , МДж/кг - высшая теплотворная способность топлива;
т]ц - к. п. д. цикла, рассчитанный по теплоте подвода
в цикл и отвода из него;
т]к - к.п.д. котла - отношение теплоты, подводимой к
рабочему телу из котла, к низшей теплоте полного сгорания расходуемого на эти цели органического топлива;
цт - к.п.д. технологического цикла подготовки
водородного топлива; для процесса конверсии -отношение теплоты сгорания (высшей) водородного топлива к сумме низшей теплоты сгорания органического топлива и энергии, затраченных на производство из него водородного топлива;
г}ж - к. п. д. электростанции, в том числе с ВПП;
Інадстр
%
V,
Лнпп
Индексы:
- к.п.д. надстройки - отношение прироста
мощности надстройки к приросту подводимогого в цикл тепла;
внутренний относительный к. п. д. турбины;
механический к. п. д.;
к. п. д. электрогенератора;
- к. п. д. электролизера;
- коэффициент полноты сгорания топлива в
водородном пароперегревателе.
«4» - выход из котла - вход в ВГШ;
«5» - выход из турбины для цикла без ВГШ;
«6» - выход из ВПП - вход в турбину;
«7» - выход из турбины;
«8» - вход в турбину низкого давления после
промперегрева (для цикла с промперегревом);
«9» - выход из турбины низкого давления после -
промперегрева (для цикла с промперегревом);
«10» - вход в замыкающую турбину после 2-го
промперегрева (для цикла с двумя
промперегревами);
«11» - выход из замыкающей турбины после 2-го
промперегрева (для цикла с двумя
промперегревами).
Введение к работе
Актуальность работы.
Разработка планов создания новых объектов энергетики и модернизации существующего энергетического оборудования должна учитывать непременное требование повышения его эффективности [50]. Интерес к проблеме связан не только с всеобщим характером тенденций в развитии техники, но и с обострившимися в последнее время проблемами добычи, переработки и доставки органического топлива, а также экологическими проблемами.
Одним из первых образцов техники, использующих водородное топливо, был авиадвигатель, устанавливавшийся на самолете-лаборатории, разработанный под руководством академика Кузнецова Н.Д.
Разработка направлений внедрения технологий, основанных на использовании в энергетике водородного топлива, ведется под научным руководством академиков РАН Легасова В.А., Пономарева-Степного Н.Н., Месяца Г.А., Фаворского О.Н., Леонтьева А.И., Коротеева А.С., Накорякова В.Е., активное участие в этих работах принимает чл.-корреспондент РАН Шпильрайн Э.Э. и ряд других ведущих ученых страны. Данная проблема находится в поле зрения ведущих научных и учебных центров страны: ЦКТИ им. Ползунова, ИВТ РАН, ИТ СО РАН, МЭИ, МГТУ им. Н.Э.Баумана, Рыбинской государственной авиационно-технологической академии им. П.А.Соловьева и ряда других.
Интерес к использованию водорода, как топлива, служащего непосредственным источником тепловой энергии в тепловых машинах, способного в той или иной мере обеспечить решение стоящих перед энергетической отраслью проблем, постоянно возрастает. Водородное топливо может быть эффективным аккумулятором как энергии, полученной от возобновляемых источников, так и ядерной энергии, и использоваться в тепловых машинах различной мощности, производящих электроэнергию в непосредственной близости от ее потребителей, не нанося практически никакого вреда окружающей среде.
Использование водородного топлива в паротурбинных установках (ПТУ) имеет некоторые особенности. Сжигание водородного топлива может осуществляться непосредственно в среде рабочего тела (пара) при подмешивании к ней продуктов сгорания, так как они представляют собой то же самое химическое соединение, что и основное рабочее тело. В отличие от котлов, в которых теплота подводится в цикл через теплообменные поверхности при существовании потерь тепла с уходящими газами, в водородных парогенераторах такой вид потерь отсутствует, то есть сам процесс подвода тепла может быть организован более рационально. Потери могут быть связаны только с неполным сгоранием топлива.
Известно, что именно материалы, используемые в теплообменных аппаратах котлов, в основном ограничивают предельный уровень начальных температур водяного пара и, соответственно, максимально достижимую эффективность цикла. Использование водородных пароперегревателей для перегрева пара, полученного в котлах от сжигания органического топлива, позволяет существенно увеличить начальную температуру, удельную мощность и улучшить энергетическую эффективность ПТУ.
Исследования способов получения и использования водородного топлива не ослабевают в течение последних 30 лет. Однако, несмотря на это в настоящее время существуют различные, вплоть до полярно противоположных, оценки перспектив водородных энергоустановок. Многие авторы рассматривают водород, как основу устойчивого развития энергетики будущего [21,22,34,53,65]. В [65] отмечается, что многие ведущие страны мира приняли программы ускоренного развития исследований и разработок по использованию водорода в энергетическом секторе. В то же время некоторые публикации свидетельствуют о наличии весьма скептических, хотя и имеющих серьезную аргументацию, мнений о реальных перспективах отечественной водородной энергетики [2]. Наличие столь различающихся мнений свидетельствует о недостаточной научной проработанности всех аспектов данной темы. При этом единство позиции практически всех авторов публикаций заключается в том, что для разрешения противоречий необходим тщательный технико-экономический анализ всех звеньев водородного цикла. Одной из важнейших составляющих этого анализа должно быть исследование циклов ПТУ с водородными пароперегревателями (ВПП), в том числе циклов, в которых ВПП используются как для перегрева пара, поступающего от котлов, так и для промперегревов. Отдельное направление представляет собой формирование облика паровых турбин, работающих в условиях высоких начальных температур.
Актуальность темы диссертации подтверждается тем, что она выполнялась в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2005-2006 годы по договорам ЗАО НПВП «Турбокон» с ИВТ РАН (договор № 25031 от 16.08.05г. по теме «Разработка, изготовление и испытания новых элементов высокотемпературной паровой турбины. Разработка проекта и конструкторско-технологической документации на опытный образец водородной высокотемпературной паровой турбины») и с Роснаукой (№ 02.457.11.7071 по теме шифр 2006 - Р4-34.0/002/028 «Турбинные установки для производства электроэнергии с использованием возобновляемой энергии, органического и водородного топлива»).
Цель работы.
Исходя из изложенного выше, сформулированы следующие цели настоящей работы: - разработать методику расчета циклов ПТУ, имеющих в своем составе ВПП и реализовать ее в виде программы, пригодной для использования в практических расчетах; - выполнить цикл тепловых расчетов ПТУ различных схем с ВПП и определить их эффективность; - по выбранным показателям определить облик ПТУ с ВПП, имеющих максимальную эффективность; - выполнить расчетный анализ основной составной части высокотемпературной ПТУ - паровой турбины, и на его основе разработать научно-технические предложения по формированию облика паровых турбин для энергетических установок различной мощности; - разработать методику экспериментальных исследований и экспериментально подтвердить правильность предлагаемых технических решений.
Научная новизна работы.
Для циклов ПТУ, имеющих в своем составе водородные пароперегреватели (ВПП), и работающих с переменным расходом рабочего тела по тракту сформулированы и обоснованы основные энергетические соотношения, описывающие процесс подвода тепла от сгорания водородного топлива при смешении продуктов сгорания с низкотемпературным паром, поступающим в ВПП; выполнен детальный численный анализ широкого класса схем высокотемпературных ПТУ с ВПП, выявлен характер влияния основных параметров циклов на их показатели; - на основе численного сравнения схем ПТУ с ВПП и без них, выявлены общие для всех циклов с ВПП особенности, которые должны учитываться при проектировании таких установок; - определены предельно достижимые показатели высокотемпературных циклов и электростанций на их базе применительно к схемам различной сложности, определены оптимальные сочетания параметров, обеспечивающих эти показатели; - разработан алгоритм-методика расчета параметров пароводяного тракта ПТУ различных схем с ВПП, который реализован в виде программы на ПК.
Практическая ценность.
Результаты работы использованы при создании энергокомплекса мощностью 100 кВт с начальной температурой 800...850С.
Расчетные исследования стали основой выполненных хоздоговорных работ ЗАО НПВП «Турбокон» с ИВТ РАН (договор № 25031 от 16.08.05г. по теме «Разработка, изготовление и испытания новых элементов высокотемпературной паровой турбины. Разработка проекта и конструкторско-технологической документации на опытный образец водородной высокотемпературной паровой турбины») и с Роснаукой (№ 02.457.11.7071 по теме шифр 2006 - Р4-34.0/002/028 «Турбинные установки для производства электроэнергии с использованием возобновляемой энергии, органического и водородного топлива»).
Достоверность данных диссертации.
Достоверность результатов работы обеспечивается тем, что разработанная и использованная автором программа расчета циклов ПТУ базируется на лицензионном использовании пакета программ WaterSteamPro, предназначенного для вычисления теплофизических свойств воды и водяного пара в соответствии с системой уравнений Международной ассоциации 1997г., сертифицированного Госстандартом РФ и рекомендованного Департаментом генеральной инспекции по эксплуатации электрических станций и сетей РАО «ЕЭС России» для использования в энергетике.
Достоверность данных подтверждается результатами тестовых сравнительных расчетов с данными в опубликованных ранее работах.
Достоверность выполненных экспериментальных работ подтверждается расчетом погрешности экспериментов.
Внедрение.
Результаты работы использованы для выбора и обоснования параметров и при проектировании паротурбинной установки мощностью 100 кВт с начальной температурой 800...850С.
Программа расчета рабочего процесса ПТУ с ВПП и без них внедрена в систему проектирования турбинных установок ЗАО НВПП «Турбокон».
Апробация работы.
Результаты расчетов докладывались - на НТС ОАО " Инженерный центр ЕЭС" (решение НТС от 28.04.2006 г.); на четвертой российской национальной конференции по теплообмену в МЭИ, г. Москва 23-27 октября 2006г.; на НТС ЗАО НПВП « Турбокон», КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, КГПУ им. К.Э. Циолковского.
Основные результаты диссертации изложены в двух статьях периодических изданий, тезисах одного доклада, двух свидетельствах и двух патентах РФ на полезную модель, а также в одной заявке на изобретение, прошедшей экспертизу.
Личный вклад автора заключается в формулировке основных энергетических соотношений, положенных в основу расчета параметров пара на выходе из ВПП, в разработке методики и программы расчета циклов ПТУ с ВПП. Автором лично выполнен большой объем расчетов ПТУ различных схем, и, на основе их анализа, им определены оптимальные сочетания параметров, обеспечивающие наибольшую эффективность этих циклов.
Автором выполнена методическая разработка программы термометрирования турбины в составе двигателя. При его непосредственном участии были проведены, обработаны и проанализированы результаты испытаний.
Автор принял непосредственное участие в разработке технического и рабочего проектов высокотемпературной паровой турбины мощностью 100 кВт, им разработаны и обоснованы основные предложения по конструктивно-компоновочным схемам паровых турбин мощностного ряда 6...25 МВт.
Автор защищает: - основные энергетические соотношения, предложенные для расчета циклов с ВПП, - результаты расчета паротурбинных циклов различных схем и оптимальные соотношения параметров, определяющих максимальную энергетическую эффективность ПТУ; - многомодульную конструкцию ПТУ с различной частотой вращения роторов модулей.
Объем работы .
Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, иллюстрируется 33 рисунками и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы 68 наименований.
