CC BY
117
УДK 620.9: 621.165: 662.75/76
Энергетика
ОПЫТНАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ МОДУЛЬНАЯ ВОДОРОДНАЯ ПАРОТУРБИННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА С МОЩНОСТЬЮ НА ВАЛУ ДО 5 МВт А.В. Иванов, В.А. Ильичев, В.С. Рачук, А.В. Шостак, В.И. Пригожин, А.А. Цыганов
В статье приведены результаты предварительного проектирования опытной универсальной модульной экологически чистой водородной паротурбинной энергоустановки с механическим приводом на валу мощностью до 5 МВт для нужд промышленной теплоэнергетики и в качестве привода мощных гидравлических агрегатов и создании новых систем взрывопожаробезопасности и пожаротушения
Ключевые слова: водород, энергоустановка, парогенератор, турбопривод
В настоящее время в электроэнергетике России одновременно с ростом промышленного производства нарастает дефицит мощности электроэнергии, который имеет локальный характер на уровне ряда региональных энергосистем. Это является следствием неравномерных темпов развития экономики различных регионов страны, недостаточности ввода генерирующих мощностей и ограниченности пропускной способности электрических сетей для передачи мощности и электроэнергии из избыточных регионов в дефицитные. В связи с этим требуется значительное увеличение энерговооруженности, в том числе создание сети автономного электроснабжения на промышленных предприятиях. В настоящее время на многих предприятиях химической, металлургической, нефтехимической, коксохимической и ряда других отраслей в качестве побочного продукта производится водород, который не используется и сжигается с целью обеспечения взрывопожаробезопасно-сти. Объемы побочного водорода на предприятиях достигают нескольких тысяч тонн в год, что при его использовании для производства электроэнергии соответствует мощностям энергоустановок до 10 МВт(э). В мире сегодня только на хлорных производствах ежегодно сжигается до 16-109 м3 водорода, что при его использовании для производства электроэнергии соответствовало бы около 3 ГВт электрической мощности. Расчетные и теоретические исследования показывают, что при мощностях более 1 МВт(э) водородные турбоустановки экономически значительно эффективнее, чем топливные элементы. Создание водородных турбоустановок с мощностью на валу 3-5 МВт позволяет повысить энергоэффективность предприятий указанных отраслей за счет
Иванов Андрей Владимирович - КБХА, канд. техн. наук, доцент, e-mail: cadb@comch.ru
Ильичев Виталий Александрович - КБХА, ведущий конструктор темы, e-mail: cadb@comch.ru Рачук Владимир Сергеевич - КБХА, д-р техн. наук, профессор, e-mail: cadb@comch.ru
Шостак Александр Викторович - КБХА, канд. техн. наук, доцент, e-mail: cadb@comch.ru
Пригожин Виктор Иванович - КБХА, канд. техн. наук, доцент, e-mail: cadb@comch.ru
Цыганов Александр Александрович - КБХА, инженер конструктор, аспирант, e-mail: cadb@comch.ru
полезного использования водорода и снижения энергопотребления от внешних источников мощности.
Разработка водородных компактных турбоустановок с механической мощностью на валу до 5 МВт и временем выхода на режим менее 10 с весьма перспективна для создания аварийных и резервных систем энергообеспечения, привода электрогенераторов, систем экстренного пожаротушения и пожаробезопасности, при применении в качестве привода гидравлических насосов различных крупных объектов в энергетике и других отраслях промышленности. Автономные водородные турбоустановки мегаваттного уровня мощности перспективны для применения в составе систем водородного аккумулирования энергии и покрытия неравномерностей графика нагрузки (острого пика) при создании сетей энергообеспечения [1].
Поэтому актуальным является создание опытной универсальной модульной экологически чистой паротурбинной энергоустановки для применения в распределенной энергетике, в качестве аварийных и резервных источников энергии, обеспечения привода мощных гидравлических агрегатов и создание систем пожаротушения. С целью создания опытной энергоустановки подобного типа был заключен государственный контракт между Министерством образования и науки РФ и ОАО КБХА.
Разрабатываемая энергоустановка предназначена для:
- создания автономных систем энергообеспечения предприятий, имеющих водород и водородсодержащие газы в качестве побочных продуктов (хлорные, нефтехимические, нефтеперерабатывающие, коксохимические, металлургические и др.),
- производства пиковых мощностей и покрытия неравномерностей графика нагрузки в сетях,
- создания аварийных и резервных источников мощности, систем экстренного пожаротушения и обеспечения пожаробезопасности крупных предприятий энергетики и промышленности.
Создание энергоустановки ведется с участием Воронежского государственного технического университета и Объединенного института высоких температур РАН (г. Москва), которые имеют опыт выполнения научно-исследовательских работ по аналогичной тематике.
Основные параметры энергоустановки приведены в таблице, компоновочная схема - на рис. 1.
Пневмогидравлическая схема энергетической установки должна обеспечивать требуемые параметры пара перед турбиной турбопривода, т.к. одним из критичных элементов установки, ограничивающим ее ресурс, являются лопатки рабочего колеса турбины, испытывающие значительные тепловые нагрузки из-за неравномерности их прогрева при запуске и останове. Поэтому для обеспечения ресурса и минимизации тепловых нагрузок на рабочие колеса турбины принята схема с постепенным выводом турбины на основной режим работы. Несмотря на то, что с повышением температуры пара КПД установки увеличивается (рис. 2), для неохлаждаемых лопаток температура пара ограничена требованием обеспечения ресурса и поэтому принята 950 К на основном режиме работы. С учетом возможного разброса характеристик агрегатов и условий работы, предельная температура пара составит 1023 К. Важным является также выбор оптимального давления пара перед турбиной и количества ступеней турбины. Для данной установки принята наиболее простая по конструкции двухступенчатая турбина. Давление пара перед турбиной определяется допустимым давлением подачи компонентов при вытеснительной системе подачи (не более 100 кгс/см) и с учетом потерь на организацию рабочего процесса в парогенераторе и регулирование установки.
Внедрение создаваемой в рамках проекта научно-технической продукции обеспечит решение следующих социально-экономических задач:
- снижение потребления сетевой электроэнергии потребителями, имеющими ресурс водорода в качестве побочного продукта производства за счет создания автономных систем энергообеспечения предприятий;
- экономию природного газа в энергетическом секторе за счет использования «побочного» водорода;
- возможность покрытия пиковых нагрузок в локальных и региональных сетях при существенно меньших капиталовложениях в пиковые мощности по сравнению с традиционными технологиями;
- создание нового компактного и мощного обо-
рудования с турбоприводами для систем обеспечения пожаробезопасности и экстренного пожаротушения на крупных промышленных объектах за счет подачи больших расходов воды (более 100 л/с) на значительные расстояния (более 200 м) при выходе на рабочий режим установки за 5-10 с.;
- повышение надежности энергообеспечения за счет создания аварийных и резервных мощностей, в т. ч. у потребителей;
- снижение вредного воздействия на окружающую среду предприятий ТЭК, химической и других отраслей за счет использования экологически чистых водородных паротурбинных энергоустановок;
- создание наукоемкой и экономически эффективной отечественной продукции, конкурентоспособной на зарубежных рынках.
Создаваемая модульная паротурбинная энергоустановка будет использована в качестве прототипа при создании автономных электростанций различной мощности для обеспечения электроэнергией промышленных предприятий, имеющих водород в качестве побочного продукта, населенных пунктов и в качестве дополнительно установленных к существующим стационарным электростанциям для увеличения выходной мощности в часы повышенной нагрузки в электрической сети. Созданный ряд модульных установок будет востребован потребителями механизмов мегаваттного класса мощности в различных отраслях промышленности и муниципальных объектах, в том числе для экстренной подачи больших расходов воды на большие расстояния к очагам возгорания промышленных объектов.
Долгосрочное сохранение конкурентных преимуществ паротурбинной энергоустановки будет обеспечено за счет использования новаторских технических решений при разработке конструкции и современного оборудования при изготовлении и испытаниях. Подобная энергоустановка создается впервые в России
Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», государственный контракт № 16.526.12.6004.
Основные параметры энергоустановки
№ Наименование параметра Значение параметра
1 Мощность паровой турбины, МВт до 5
2 Тепловая мощность парогенератора, МВт до 20
3 Частота вращения ротора турбины, об/мин 20000
4 Расход газообразного водорода, кг/с 0,178
5 Расход газообразного кислорода, кг/с 1,415
6 Соотношение компонентов топлива 7,95
7 Расход воды, кг/с 4,36
8 Давление водяного пара, МПа 6,5
9 Наличие неконденсирующихся газов в паре, не более 2%
10 Температура водяного пара, К 950
11 КПД турбоустановки с учетом частичной утилизации тепловой энергии после турбины, не менее 30%
Вода Парогенератор
Рис. 1. Опытная универсальная водородная паротурбинная энергоустановка с мощностью на валу до 5 МВт
кпд
0 15
0.1 і-------і--------і---------1--------1---------1--------!--------I---------
800 850 900 950 1000 1050 1100 '150 1200
Тт. К
Рис. 2. Зависимость теплового KПД установки от температуры пара перед турбиной Литература
1. В.С. Рачук, В.И. Пригожин, С.П. Малышенко. Во-дородо-кислородные парогенераторы // Журнал «Современное машиностроение», № 2-3 (S-9), 2009. С. 54 - 59.
Открытое акционерное общество «Конструкторское бюро «Химавтоматики»» (г. Воронеж)
PILOT UNIVERSAL MODULAR HYDROGEN STEAM-TURBINE POWER PLANT WITH CAPACITY ON THE SHAFT UP TO 5 MW A.V. Ivanov, V.A. Il’ichev, V.S. Rachuk, A.V. Shostak, V.I. Prigozhin, A.A. Tsiganov
In this article the results of pilot universal modular ecological hydrogen steam-turbine power plant predesigning with mechanical drive on the shaft of 5 MW capacity for industrial heat-power engineering and as powerful hydraulic units’ drive and new explosion-fire safety and fire-fighting systems generation are presented
Key words: hydrogen, power plant, steam generator, turbine drive
