сверхкритические параметры водяного пара
И СУПЕРСВЕРХКРИТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПАРА
Объект исследования: этапы развития на сверхкритические и суперсверхкритические параметры пара на входе в турбину.
Результаты полученные лично авторами: Описана опытно-промышленная эксплуатация паровой турбины СКР-100-300. Приведена оценка эффективности перехода к суперсверхкритическим параметрам по ряду факторов.
В настоящее время промышленная теплоэнергетика уже сделала реальные шаги к последовательному переходу к энергоблокам на суперсвсрхкритнческие параметры. Для стран, таких как Россия, где климатические условия позволяют иметь глубокий вакуум в конденсаторе, главными мерами для увеличения КПД являются повышение параметров пара (наиболее простой и действенный способ вовлечения в энергетику твердого топлива, запасов которого хватит на сотни лет) и введение второго промперегрева, благодаря которому достигается экономия топлива до 4–7% и уменьшается конечная влажность пара в последних ступенях турбины. Следует отметить, что повышение параметров дает эффект независимо от типа используемого топлива.
«Критическое состояние (точка)» – состояние, в котором при определенных условиях стирается фазовая граница между газом и жидкостью. Любое вещество при температуре и давлении выше своей критической точки будет находиться в сверхкритическом состоянии, когда уже не существует ни жидкой, ни газообразной фазы. При сверхкритических параметрах теплота парообразования обращается в ноль. Типичный диапазон сверхкритических параметров – от 245 до 285 бар при температуре от 540 до 580 °С; а суперсверхкритических под давлением 280 бар при температуре 600 °С.
История освоения ССКП насчитывает более 50 лет.Она берет начало с создания в США энергоблока Эддистоун-1 мощностью 325 МВт на параметры пара 35,9 МПа, 648°С/565°С/565°С. В 1966 г. на Каширской гидроэлектростанции (ГРЭС) началась первая опытно-промышленная эксплуатация паровой турбины СКР-100-300. построенной Харьковским турбинным заводом (ХТЗ) на начальные параметры 29,4 МПа, 650°С с противодавлением 3,03 МПа. Первым энергоблоком ССКП нового поколения стал энергоблок Кавагое-1 на параметры 30,5 МПа, 566°С/566°С/566°С.
Увеличение температуры свежего пара и пара после промперегрева на каждые 10°С позволяет выиграть в экономичности 0,5%, а при повышении давления пара на 1,0 МПа экономичность увеличивается на 0,2%.
Решающей задачей для создания энергоблока на ССКП является освоение линейки материалов с необходимыми характеристиками длительной прочности и малоцикловой усталости.
Эффективность перехода к ССКП необходимо оценивать по многим факторам: технико-экономическим показателям, инвестированию на начальной стадии, эксплуатационным затратам, экологичности, возможности работы на частичных нагрузках. Важно, что все оценки необходимо делать в сравнении с альтернативными установками, такими как: ПГУ с внутрицикловой газификацией, ПГУ с циркулирующим кипящим слоем, с утилизационными ПГУ.
Повышение параметров на входе оказывает существенное влияние на конструкцию проточной части турбин. Для того чтобы сработать больший перепад энтальпий в цилиндре, не меняя количества ступеней, приходится модернизировать их, а иногда и полностью менять конструкцию.
Гарантией успешного внедрения турбинных ступеней являются методы оптимального проектирования и профилирования.На базе этих методов созданы программные комплексы одно- и многорежимной оптимизации турбин нового класса, в том числе и на заданные графики нагрузок. Экспериментально (на натурных и модельных стендах) доказана возможность срабатывания ступенями конструкции ЛПИ осевого и радиального типов больших перепадов энтальпии при сохранении высокой экономичности за счет снижения потерь при сверх- и трансзвуковых скоростях потока, а также потерь на выходе
Возможно не только разрабатывать новые турбоустановки на суперсверхкритические параметры с РС, но и модернизировать существующие серийные паровые турбины, что становится актуальным в период стагнации производства.
Материал поступил в редколлегию 04.04.2017
УДК 621.438.001.63: 378.244
В.В. Горбачев, В. И. Тихоновский
Научный руководитель: доцент кафедры «Тепловые двигатели», к.т.н.
На всех парах
Спустя 200 лет с начала систематических исследований свойств водяного пара он продолжает оставаться предметом научного интереса. Теплоэнергетика уже научилась использовать его на сверхкритических параметрах. На очереди – ультра сверхкритические.
Хотя о применении водяного пара задумывался ещё Герон Александрийский в I веке до н. э., его первое промышленное использование отмечено историками в конце XVII века. Паровые машины, работавшие за счёт эффекта сжатия газа при охлаждении и конденсации, приводили в движение насос для выкачивания воды на угольных шахтах, за что и были прозваны «друзьями рудокопов».
Во второй половине XVIII века Джеймс Уатт на основе отдельных изобретений предшественников превратил поступательное движение в поршневой паровой машине во вращательное. Технология паровых машин Уатта стала предвестником индустриальной революции в Европе. Инженеры усовершенствовали изобретение, использовав способность пара расширяться. Паровая машина стала символом XIX века и двигателем его прогресса. Уже в 1825 году только в Англии на фабриках и заводах было установлено более 15 тысяч паровых машин.
От потенциальной энергии к кинетической
Столько же, сколько существовало оборудование на водяном паре, инженеры бились над созданием паровой турбины на основе пара высокого давления. В одной только Англии за сто лет выдали 200 патентов на паровую турбину, но ни один не нашёл практического применения: не хватало технических и научных возможностей.
Только ближе к концу XIX столетия два конструктора почти одновременно сумели использовать кинетическую энергию пара. Чарлз Алджернон Парсонс и Карл Густав де Лаваль создали первую турбину, в которой использовалась не тепловая энергия пара, а энергия движения парового потока. Ведь важнейшей особенностью водяного пара является высокая скорость истечения его из одного объёма в другой даже при небольшом перепаде давления.
В изобретении инженеров поток водяного пара через направляющие сопла поступает на криволинейные лопатки, закреплённые по окружности ротора, и воздействием на них вращает ротор. Особенность изобретения в том, что турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение. В такой конструкции не требуются дополнительные механизмы преобразования, как ранее в возвратно-поступательных устройствах.
Практически сразу же паровые турбины вытеснили гидрогенераторы за счёт экономической целесообразности. Уже к 1910 году в тепловой энергетике не использовались никакие иные паровые машины, кроме турбин. На сегодняшний день именно паровые турбины – основное оборудование для производства электроэнергии.
Борьба за экономию энергоресурсов обуславливает постоянную мировую тенденцию к улучшению тепловой экономичности (коэффициента полезного действия) энергоустановок. Согласно физическим законам КПД при увеличении параметров пара повышается, так что современная инженерная мысль работает над созданием агрегатов со значительными параметрами давления и температуры.
Около половины мировых энергоблоков обладает стандартными сверхкритическими параметрами пара – 24 МПа, 540 °С. Их средний КПД – около 35%. Существуют и энергоблоки с ультрасверхкритическими параметрами пара, так называемые USC-блоки – 30 МПа и больше, 600 °С и выше. Их КПД составляет более 45%.
Первыми создание USC-блоков начали США и СССР. В 1949 году ультрасверхкритический энергоблок появился на ТЭЦ ВТИ. Ещё один наработал десятки тысяч часов на Каширской ГРЭС. Сейчас энергоблоки с ультрасверхкритическими параметрами работают в Дании, Германии, Японии.
Россия, увы, немного отстаёт в этом направлении. Только к 2016 году будет спроектирован, построен и сдан в эксплуатацию опытный энергоблок на сверхкритических параметрах пара с мощностью 600–800 МВт при давлении пара до 30 МПа и температуре 600–620 °С. КПД опытного энергоблока составит около 45%, удельное потребление топлива (угля) – около 270 граммов на кВт*ч. Основные преимущества разработки – тепловая экономичность, уменьшение численности обслуживающего персонала и, что особенно важно, снижение негативного воздействия на окружающую среду.
Развитие и внедрение USC-блоков должно принести пользу не только энергетике, но и экологии. Чем выше КПД энергоблока, тем меньше расход топлива. В условиях растущей цены на газ спрос на уголь растёт быстрее, чем на какой-либо другой вид топлива. По ориентировочным прогнозам МЭА, доля ископаемого топлива в мировом производстве будет только увеличиваться. Если сейчас она составляет около 25%, то к 2030 году источником 45% электроэнергии на Земле будет угольное топливо. При этом в данный момент на угольную электрогенерацию в мире приходится почти 30% всех выбросов двуокиси углерода.
Технология улавливания и хранения углерода (CCS – Carbon Capture and Storage) пока развита слабо. Во-первых, она слишком дорога, во-вторых, на процессы CCS может тратиться до четверти выработанной электроэнергии. Тем самым снижается эффективность ТЭС и. увеличивается объём потребляемого ископаемого сырья: чтобы возместить потери в электроэнергии, приходится сжигать больше угля.
Так что для борьбы с глобальным потеплением необходимо сокращать расход топлива любыми доступными методами. В том числе – повышать эффективность ТЭС. Заставлять пар работать ещё эффективнее.
Группа «Интер РАО ЕЭС» первой на рынке занялась прикладными научными исследованиями по разработке принципиально нового энергетического оборудования. Специально для этой цели был сформирован фонд научной, научно-технической и инновационной деятельности «Энергия без границ». Его основные цели – определять перспективные направления развития и финансировать проведение прикладных исследований, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР). Фонд ставит перед собой задачу профинансировать разработку научно-конструкторскими институтами отечественного энергоблока на ультракритических параметрах пара с увеличенными параметрами термодинамического цикла до уровня 700–720 °С, давлением 35 МПа и КПД на уровне 48–50%. Первая и основная проблема, которую предстоит решить для постройки USC-блока, – производство материала, способного выдерживать высокие температуры и давление, длительное время сохраняя прочность. Поэтому фонд стимулирует научные исследования в области получения конструкционных сталей.
Срок завершения научно-исследовательских работ и подготовки к созданию опытного образца обозначен 2016 годом.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Сверхкритические параметры пара осваивались в Советском Союзе практически сразу после ступени давления 8 8 МПа, так как опыт эксплуатации отечественного энергетического оборудования при начальном давлении 12 7 МПа к моменту завершения проектирования турбины К-300-240 был недостаточным. Правда, имелся положительный опыт работы турбин на начальных параметрах пара 16 6 МПа и 823 К, так как на эти параметры еще до утверждения стандартов в 1952 г. была выпущена турбина СВК-150 ЛМЗ. Однако в новых агрегатах многие конструктивные решения принципиально отличались от применявшихся в этой турбине. [2]
Турбина рассчитана на сверхкритические параметры пара : давление 23 5 МПа ( 240 кгс / ем2) и температуру 540 С. Свежий пар от котельного агрегата подводится к турбине двумя трубопроводами 0 325X56 мм. [4]
В паровых турбинах на сверхкритические параметры пара неизбежным является переход от аустенитного паропровода и паровпуска к перлитным наружному и внутреннему цилиндрам. Подобное соединение в конструктивном отношении наиболее удачно выполнять сварным. [5]
Создание высокоэкономичных энергоблоков на сверхкритические параметры пара требует для изготовления труб поверхностей нагрева и паропроводов более жаростойких и жаропрочных материалов, чем стали перлитного класса. К таковым, в первую очередь, относятся хорошо освоенные промышленностью стали аустенитного класса. [8]
Современные турбины большой мощности строятся на высокие и сверхкритические параметры пара и, как правило, с сопловым парораспределением. Эти турбины изготовляются с одновенечными регулирующими ступенями. [10]
Областью рационального применения турбоагрегатов Т-250 МВт на сверхкритические параметры пара являются города с населением свыше 1 млн. чел. [15]
Водно-химические режимы прямоточных котлов сверхкритического давления
Сверхкритические параметры пара соответствуют давлению выше 22,1 МПа.
Задача ВХР блоков СКД – организация такого водного режима эксплуатации парогенераторов, чтобы максимальная температура металла была бы ниже температуры окалинообразования на наружной поверхности трубы и температуры изменения структуры металла.
Факторы, влияющие на надежность парогенерирующих элементов котла, условно можно разделить на две группы:
Все эти факторы влияют на температуру стенки металла трубы. Ее повышение до 600 °С приводит к изменению структуры металла и разрыву экранных труб.
В настоящее время прямоточные котлы СКД являются основой развития мировой теплоэнергетики. Но при этом необходимо учитывать то, что прямоточность системы котла делает отложения практически неизбежными, что приводит к необходимости обеспечения исключительно жестких требований к качеству питательной воды. Данная проблема была успешно решена за счет глубокого трехступенчатого обессоливания подпиточной воды и установки после конденсатора блочной обессоливающей установки (БОУ) для тщательной очистки турбинного конденсата от продуктов коррозии и растворенных солей. Гораздо сложнее решался вопрос о коррекционной обработке питательной воды для защиты конструкционных материалов пароводяного тракта энергоблоков от коррозионных разрушений, в результате которых основными примесями в теплоносителе являются уже не соли, а продукты коррозии (в основном оксиды железа и меди). Даже при их малом содержании в питательной воде блоков СКД (10-12 мкг/кг) происходит постепенное накопление оксидов, особенно в нижней радиационной части котла, которая несет наибольшие тепловые нагрузки, часть этих примесей с паром поступает в проточную часть турбин.
Для уменьшения скорости коррозии на конденсатнопитательном тракте и поверхностях нагрева котла кроме тщательной очистки воды необходимо и ее кондиционирование тем или иным реагентом, т.е. создание оптимального ВХР. Функция кондиционирующего реагента сводится обычно к пассивации поверхности металла, т.е. к созданию защитных оксидных пленок. Задача эта относительно проста при наличии в контуре только одного металла, например, стали и значительно осложняется, если в тракте имеется второй металл с иными электрохимическими характеристиками.
При наличии в тракте энергоблока двух конструкционных материалов – стали и латуни – необходимо было реализовать такой ВХР, который благоприятно действовал на латунь и сочетался бы со свойствами стали, не принося ей вреда.
Первоначально на советских энергоблоках СКД был принят слабоаммиачный режим. Опыт эксплуатации показал, что данный режим не является оптимальным не только для меди, но и для стали, которая для надежной защиты требует работы при потенциалах, отвечающих более щелочной среде, т.е. при более высоких значениях рН ≥ 9,5.
Во второй половине 60-х годов в результате испытаний, проведенных непосредственно на действующих блоках СКД, рядом авторов была установлена взаимосвязь концентрации железа в питательной воде со значением ее рН при дозировании в питательный тракт аммиака. По мере повышения рН от 9,0 до 9,6 концентрация железа в питательной воде снижалась от 10 до 1-2 мкг/кг. Этот результат в сочетании с применением гидразина в качестве поглотителя растворенного в воде кислорода был подтвержден последующей эксплуатацией на гидразионно-аммиачных водных режимах (ГАВР) многочисленных блоков СКД на ТЭС различных стран.
Гидразин выполняет функцию связывания кислорода, концентрация которого строго лимитируется наличием меди в тракте; аммиак, являющийся слабым летучим основанием, вводился для поднятия рН среды, так как в щелочной среде растворимость оксидов металлов снижается. Вводить для подщелачивания сильную щелочь в конденсатно-питательный тракт прямоточных котлов, естественно, было нельзя.
Однако опыт эксплуатации показал, что гидразинно-аммиачный водный режим и при более высоком значении показателя рН не является оптимальным ни для железных, ни тем более для медных частей тракта. Причиной является исчезновение оксидных пленок меди на ее поверхности, вследствие образования медно-аммиачных комплексов — аммиакатов, с довольно высокой растворимостью в воде. Растворимые аммиакаты меди различного состава становятся преобладающими формами существования меди уже начиная с рН>6, и, следовательно, аммиак не является защитным реагентом для меди в присутствии даже очень небольших концентраций кислорода. Недостаточно пригоден для медных сплавов и чисто гидразинный режим, так как гидразин при повышенных температурах нестоек и подвергается термолизу с образованием того же аммиака. Сам гидразин также является комплексообразователем для меди, хотя эти комплексы являются менее прочными, чем аммиакаты. Осложнялась работа проточной части турбин в связи с усиленным выносом с паром коррозионно-агрессивных анионов, в первую очередь хлоридов. Кроме того высокоаммиачный режим требовал, естественно, полного отказа от сплавов на основе меди и работы конденсатоочистки в менее эффективном режиме “аммонекс-процесса”.
Гидразин, наконец, мало пригоден с экологической точки зрения, а это становится все более важным. Он обладает токсичностью, в частности, канцерогенностью, и потому всё больше теряет свое, когда-то уникальное для защиты металлов значение. Подавляющее большинство разработанных западными фирмами заменителей гидразина также содержат функциональные группы с азотом и, следовательно, в процессе термолиза также выделяют опасный для медных сплавов аммиак.
Кроме режима повышенного аминирования были попытки эксплуатации энергоблоков СКД на восстановительном водном режиме. При данном режиме коррекцию питательной воды вели только гидразином, который является достаточно надежным ингибитором коррозии для латуни и аустенитной стали, а также сталей, используемых для трубных системы ПНД. Показатель рН для питательной воды необходимо было поддерживать в пределах 7,7±0,2.
Опыт эксплуатации показал ряд преимуществ данного режима для оборудования конденсатно-питательного тракта, БОУ, но, за счет снижения показателя рН, в проточной части турбин столкнулись с развитием активной коррозии металла лопаток, особенно в ЧНД.
Были попытки использования для энергоблоков СКД комплексонного режима, но и он широкого применения не получил.
Группа компаний U2B занимается изготовлением и продажей упаковки, пищевых контейнеров, пленки и других сопутствующих товаров. U2B имеет широкую известность на рынке оборудования и материалов для упаковки.
Сверхкритический подход
Сомненья прочь
Учёные и инженеры в принципе придумали, как избавиться от нежелательного фазового перехода. Для этого температура и давление в цикле повышаются так, чтобы вода перешла в состояние сверхкритического флюида, т. е. такое состояние, когда пар (газ) и жидкость представляют собой однородную среду с новыми физическими свойствами (критическая точка для воды — 374 °C, 218 атм). Однако в таком случае для сброса тепла (а это обязательная часть цикла) приходится поддерживать рабочее тело в условиях, очень близких к критической точке. В этом состоянии теплоёмкость флюида весьма высока и получается так, что до 36% подводимого тепла расходуется на низкотемпературный процесс, напоминающий испарение. Поэтому с водой «сверхкритика» не проходит. Но если вместо водяного пара использовать сверхкритическую углекислоту (скCO2, критическая точка — 31 °C, 73 атм) и цикл Брайтона, который применяется в газовых турбинах, можно полностью избежать фазы испарения, существенно подняв общую эффективность тепловой машины.
ТЭС, работающие на ископаемом топливе, выбрасывают в атмосферу опасные вещества. Газовые станции, помимо электроэнергии, вырабатывают немалые объёмы окислов азота (NOx). На угольных станциях к ним добавляются диоксид серы, ртуть и мелкодисперсные аэрозоли. Всё это негативно влияет на здоровье людей и окружающую среду. Чтобы справиться с вредными выбросами, проектировщики ТЭС оснащают их специальными системами для снижения объёмов токсичных выбросов или очистки отходящих газов. Из-за этих сложных и потребляющих много энергии устройств и сооружений снижаются экономические показатели станций и их общая надёжность.
Нежданный помощник
Профессор Родни Аллам, лауреат Нобелевской премии мира и энергетической премии «Глобальная энергия», долгие годы занимавшийся проблемами снижения выбросов CO2, NOx и SOx на угольных ТЭС, разработал технологию для улавливания отходящего углекислого газа, которая позволяет не выбрасывать его в атмосферу, а сжижать и закачивать под землю на глубину порядка 1 км через скважины, оставшиеся после выработки нефтяных месторождений. Но выяснилось, что эта технология увеличивает себестоимость электроэнергии более чем на 60%, отчего эксплуатация ТЭС становятся экономически невыгодной.
Изобретателю стало ясно, что необходимо придумать способ не просто утилизировать образующуюся при сжигании топлива углекислоту, но и каким-то образом включить её в термодинамический цикл. Найденное решение получило название цикла Аллама. В нём рабочим телом служит выделяющаяся при сгорании топлива практически чистая углекислота в сверхкритическом состоянии, поступающая в турбину при температуре до 1200 °C и давлении более 300 атм. После прохождения через турбину и теплообменник она снова возвращается в камеру сгорания. Используя вместо пара скCO2, Родни Аллам смог избежать неэффективных фазовых переходов. Тепло остаётся внутри системы, что позволяет уменьшить количество топлива, необходимое для поддержания высокой рабочей температуры.
Давайте проверим
По заказу NET Power компания Toshiba изготовила работающую на диоксиде углерода в сверхкритическом состоянии турбину и камеру сгорания. CB&I выполняет инженерные работы, занимается строительством станции и её материальным снабжением. Exelon оказывает услуги по эксплуатации, техническому обслуживанию и развитию. Компания 8 Rivers, которую консультирует Родни Аллам, владеет технологией и продолжает её совершенствовать.
Берегите тепло
Помимо турбины, соединяющей элементы газовой и паровой технологий, и новой камеры сгорания, которая была успешно испытана на тестовой установке в Калифорнии, ключом к реализации цикла Аллама становится система рекуперации тепла, устанавливаемая на выходе турбины. Эта система должна обеспечить высокую эффективность в трудных условиях работы, включая высокие температуру и давление. Выходящая из турбины двуокись углерода имеет температуру около 750 °C. В теплообменнике она охлаждается примерно до 50 °C (чтобы можно было отделить воду), передавая тепло потоку входящей в камеру сгорания двуокиси углерода (под давлением 300 атм), которая нагревается примерно до 720 °C.
К недостаткам же относится то, что сверхкритическая углекислота представляет собой хотя и нейтральный, но очень сильный растворитель. Учитывая температуры и давления, при которых она работает в цикле Аллама, понимаешь, что к конструкционным материалам предъявляются весьма жёсткие требования (так, один из самых стойких сплавов титана, никеля, хрома и алюминия, контактирующий с скCO2 при температуре 750 °C, утоньшается на 1-2 мкм в год). Это означает, что создатели ТЭС могут столкнуться с неприятными сюрпризами.
Несмотря на демонстрационный характер, пилотный проект NET Power предусматривает строительство полноценной электростанции, отдающей энергию в сеть. Запуск станции планировали уже в 2017 г., но на момент подготовки статьи к публикации свежей информации о ходе работ не было. На основе «пилота» NET Power предполагается спроектировать первую коммерческую алламовскую станцию мощностью 300 МВт.
Таким образом, разработанная компанией NET Power генерирующая система бросает вызов всем самым современным теплоэнергетическим технологиям, включая парогазовые и угольные со сверхкритическими параметрами пара и газификацией топлива. Создатели обещают дешёвую и экологически чистую энергию, а также возможности минимизировать потребление воды и избавиться от выбросов CO2.