Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. Ограниченность мировых запасов первичного сырья вместе с необходимостью соблюдения экологических норм при обеспечении все возрастающих потребностей в энергетический ресурсах ставят вопрос о повышении эффективности производства электрической энергии, большая часть которой производится на тепловых электростанциях (ТЭС), сжигающих органическое топливо.
Угольная генерация занимает важное место в энергетической системе России и мира. В связи с этим поисковые исследования структуры и параметров новых энергетических комплексов, работающих на угольном топливе, нацеленные на повышение их экономичности и экологичности, являются перспективными направлениями разработок. Вместе с тем явно наблюдается тенденция применения нетрадиционных источников энергии и альтернативных видов энергоресурсов, к которым относится и водородное топливо.
Основная возможность существенно увеличить эффективность производства электроэнергии для угольной генерации заключается в значительном повышении начальных параметров паротурбинного цикла. Введение дополнительного водородного перегрева непосредственно перед паровой турбиной в специальных камерах сгорания, где сжигание водорода осуществляется в парокислородной среде, является одним из перспективных решений. Такой подход, с одной стороны, позволит существенно увеличить начальную температуру пара, а с другой стороны, сведет к минимуму область конструктивных элементов, работающих в зоне сверхвысоких температур, тем самым сократив применение дорогостоящих жаропрочных материалов.
Идея использования водорода в энергетических комплексах широко рассматривается в научном сообществе. J. Milewski и M.Soufi исследуют термодинамические циклы, в которых водород играет роль основного топлива. Паросиловые циклы с применением водорода приводят в своих работах A. Miller и K. Badyda. Использование водорода в циклах АЭС рассматривают: Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Шацкова О.В., Шпильрайн Э.Э., Сарумов Ю.А., Попель О.С., Рогалев А.Н. и Егоров А.Н. Ряд работ посвящен проблемам горения водорода в кислородной среде. Прибатурин Н.А., Федоров В.А., Алексеев М.В., Богомолов А.Р., Сорокин А.Л., Азиханов С.С., Шевырев С.А. рассматривают проблемы организации горения водородно-кислородной смеси в потоке пара и вопросы интеграции систем перегрева пара в смешивающих пароперегревателях – камерах сгорания.
Наряду с высокой активностью научного сообщества, работающего по рассматриваемой тематике, актуальность работы также подтверждается и государственной поддержкой указанного направления исследований. Так, например, в рамках реализации Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» проведены исследования по теме: «Исследование технологических и экономических аспектов использования водорода в качестве топливного ресурса на энергетических установках угольных ТЭС большой мощности, работающих на гибридном принципе: использовании угля и водорода».
В проведенных ранее исследованиях основное внимание уделяется вопросам организации перегрева пара и его влиянию на тепловую экономичность энергетических комплексов, использующих водород в качестве основного или дополнительного вида топлива. При этом практически не рассматриваются вопросы учета дополнительных затрат энергии, связанных с подготовкой водорода и кислорода к сжиганию и оказывающих в конечном итоге большое влияние на итоговую эффективность производства электроэнергии.
Объектом исследования является высокотемпературный угольно-водородный энергетический комплекс, представленный тепловой схемой угольного энергоблока с водородными камерами сгорания и интегрированной системой сжатия водорода и кислорода.
Целью работы является разработка научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих повышение эффективности и экологичности при производстве электрической энергии, на основе исследования общих свойств функционирования угольно-водородных энергетических комплексов.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие научные задачи.
-
Определить влияние применения нетрадиционного источника энергии (водорода) в тепловой схеме угольно-водородного энергетического комплекса на его тепловую экономичность с учетом затрат на сжатие водорода и кислорода.
-
Провести оптимизацию структуры и параметров тепловых схем угольно-водородных энергетических комплексов, используя методы математического моделирования.
-
Разработать способы интеграции системы снижения затрат на сжатие водорода в технологическую схему угольно-водородного энергетического комплекса.
-
Разработать перспективные варианты тепловых схем угольно-водородного энергетического комплекса.
-
Исследовать влияние применения водородного перегрева пара на расходные характеристики проточной части турбоустановки и разработать технические решения, обеспечивающие повышение пропускной способности последних отсеков паровой турбины.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
-
Получены зависимости КПД нетто для угольно-водородного энергетического комплекса со степенями водородного перегрева в диапазоне 0-300 С при учете затрат мощности на сжатие водорода и кислорода.
-
Обоснованы оптимальные структура и параметры тепловой схемы угольно-водородного энергетического комплекса с учетом затрат мощности на сжатие водорода и кислорода, в том числе установлено значение оптимального начального давления, определены особенности системы регенеративного подогрева. Разработана оригинальная методика определения оптимального разделительного давления между цилиндром среднего (ЦСД) и цилиндром низкого давления (ЦНД) турбоустановки.
-
Разработаны схемные решения, обеспечивающие интеграцию системы промежуточного охлаждения водорода, применяемую в процессе сжатия для снижения дополнительных затрат мощности, в тепловую схему угольно-водородного энергетического комплекса.
-
На основании проведенных исследований разработаны новые варианты тепловых схем угольно-водородных энергетических комплексов.
-
Установлено, что применение водородного перегрева приводит к увеличению объемного расхода пара через последние отсеки проточной части турбины. Предложен способ повышения пропускной способности – ЦНД с двухъярусной проточной частью, отличающийся установкой специальной диафрагмы для первой ступени, позволяющей организовать независимый подвод пара в ярусы при пяти ступенях в нижнем ярусе и трех ступенях в верхнем ярусе, и обеспечивающий пропуск через последние отсеки турбоустановки увеличенного на 45% объемного расхода пара.
Теоретическая и практическая значимость работы. Получены зависимости показателей экономичности угольно-водородного энергетического комплекса от параметров водородного перегрева, которые могут быть использованы при проектировании энергоблоков с водородным перегревом пара. Практическое применение водородного перегрева позволит существенно повысить КПД угольной генерации. Данная технология может быть использована как при модернизации существующих энергоблоков, так и при создании новых энергетических комплексов. В новых угольно-водородных энергетических объектах будет возможно достичь сверхвысоких начальных температур пара, что обеспечит существенное повышение экономичности при выработке электрической энергии. Вместе с этим благодаря локализации высокотемпературной области рядом с турбоустановкой рассматриваемое решение не потребует применения большого количества дорогостоящих жаропрочных сплавов на никелевой основе. Применение водородного топлива для перегрева пара позволяет увеличить мощность энергоблока на 30-40% без дополнительных выбросов вредных веществ в атмосферу.
В теоретическом плане проведенная работа доказывает высокую термодинамическую эффективность использования водородного топлива для перегрева пара в паросиловых циклах угольных энергоблоков.
В ходе проведенного исследования была создана оригинальная методика определения оптимального разделительного давления между ЦСД и ЦНД, а также адаптирована методика теплового расчета проточных частей турбомашин для двухъярусных цилиндров. Разработанные методики могут быть использованы при проектировании нового оборудования.
Предлагаемый в работе способ увеличения пропускной способности, основанный на применении в ЦНД двухъярусной проточной части, может быть использован как для решения проблем пропуска повышенного объемного расхода пара в угольно-водородных энергетических комплексах, так и при создании новых сверхмощных турбоустановок для традиционных энергоблоков ТЭС и АЭС.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач были использованы как теоретические методы, так и численный эксперимент. Исследование тепловых схем с применением водородного перегрева производилось с помощь вариантных расчетов моделей, построенных в современном программном пакете Gate Cycle. Конструкция двухъярусного ЦНД прорабатывалась с применением одномерных расчетов в программной среде Axial и трехмерного моделирования в ANSYS CFX, AxCent и ANSYS Mechanical.
Автор защищает:
-
Результаты исследования влияния применения водорода в тепловой схеме угольно-водородного энергетического комплекса на показатели его тепловой экономичности в зависимости от области применения водородного перегрева в тепловой схеме энергоустановки, уровня начального давления и степени водородного перегрева.
-
Результаты оптимизационных исследований структуры и параметров тепловых схем угольно-водородных энергетических комплексов с учетом затрат мощности на сжатие водорода и кислорода.
-
Способ интеграции системы охлаждения водорода в технологическую схему угольно-водородного энергетического комплекса, позволяющий сократить затраты мощности на сжатие топлива на 40% без влияния на тепловую экономичность турбоустановки.
-
Тепловые схемы угольно-водородных энергетических комплексов с перегревом tвп = 200С и tвп = 300С, обеспечивающие КПД нетто по производству электроэнергии 46 и 47,9% соответственно.
-
Способ повышения пропускной способности последних отсеков турбоустановки угольно-водородных энергетических комплексов, основанный на применении в ЦНД двухъярусной проточной части с независимым подводом пара в ярусы и установкой специальной диафрагмы для первой ступени.
Личный вклад автора состоит в построении математических моделей тепловых схем, проведении расчетов тепловых схем, разработке вариантов интеграции систем охлаждения водорода, разработке вариантов тепловых схем с водородным перегревом пара, разработке методики определения оптимального разделительного давления, разработке и исследовании способа повышения пропускной способности проточной части турбоустановки.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследований подтверждается применением современных международно признанных методов и программных средств моделирования изучаемых систем и процессов (Axial, AxCent, Gate Cycle, ANSYS Mechanical, ANSYS Fluent, ANSYS CFX), а также проведением анализа и оценки получаемых результатов.
Основные результаты работы были представлены и получили положительную оценку на VI международной конференции «Energy and Sustainability» (Медельин, Колумбия, 2015), XV международной конференции «Power System Engineering, Thermodynamics & Fluid Flow» (Пльзень, Чехия, 2016), международной научно-практической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Иваново, Россия, 2015), на выставке «ВУЗПРОМЭКСПО-2015» (Москва,
Россия, 2015). Также результаты докладывались на научном семинаре и заседании кафедры тепловых электрических станций ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».
Публикации. По теме диссертации соискателем опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для опубликования основных результатов диссертационных исследований на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, 2 публикации в изданиях, входящих в международную базу цитирования Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 88 источников. Работа изложена на 200 страницах текста, содержит 159 рисунков и 20 таблиц.