Разработка испытательного стенда для экспериментальной отработки водородной паротурбинной энергоустановки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 532.685

РАЗРАБОТКА ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ ВОДОРОДНОЙ ПАРОТУРБИННОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ А.С. Игнатов, Т.С. Тимошинова, С.А. Курьянов, В.А. Ильичев, С.А. Лебединский

В представленной работе описывается разработка испытательного стенда для экспериментальной отработки опытной универсальной модульной экологически чистой водородной паротурбинной энергоустановки с механическим приводом на валу мощностью до 5 МВт. В статье описаны стендовые системы, принцип их работы, разработаны математические модели систем энергоустановки

Ключевые слова: газообразный водород, газообразный кислород, парогенератор, энергоустановка, турбина

В России и в мире постоянно увеличивается интерес к применению альтернативных источников энергии для различных отраслей промышленности. Это связанно, в первую очередь, с исчерпаемостью традиционных энергоносителей (нефть, природный газ). Одним из альтернативных источников энергии является водород, в силу того что его запасы на планете в химически связанном виде практически неограниченны [1].

Развитие водородной энергетики связанно с созданием новых систем производства электроэнергии, использующих водород в качестве энергоносителя. Центральной проблемой создания эффективных водородных энергоустановок является разработка их главных ключевых элементов, обеспечивающих эффективность и устойчивость

рабочих процессов [2].

Для решения вышеупомянутой проблемы силами ОАО КБХА и НОЦ «Водородная

энергетика», созданный на базе ФГБОУВПО

«ВГТУ» в рамках выполнения государственного контракта с Минобрнауки проводится опытноконструкторская работа, объектом которой является водородная паротурбинная энергоустановка с механическим приводом на валу мощностью до 5 МВт для автономной и стационарной энергетики. В рамках ОКР планируется создание стенда и отработка на нем указанной водородной

энергоустановки [3].

Разрабатываемая энергоустановка (рис. 1) предназначена для:

- создания автономных систем энергообеспечения предприятий, имеющих водород и водородсодержащие газы в качестве побочных продуктов (хлорные, нефтехимические,

Игнатов Алексей Сергеевич - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 277-27-55, e-mail: rd-vgtu@mail.ru Тимошинова Татьяна Сергеевна - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 277-27-55, e-mail: rd-vgtu@mail.ru Курьянов Сергей Александрович - ОАО «КБХА», начальник бригады, тел. (473) 277-27-55,

e-mail: rd-vgtu@mail.ru

Ильичев Виталий Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 277-27-55, e-mail: rd-vgtu@mail.ru Лебединский Сергей Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 277-27-55, e-mail: rd-vgtu@mail.ru

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.

Рама энергоустановки имеет возможность регулирования положения стойки поз. 13 вдоль оси энергоустановки необходимо в том случае, если в процессе проведения экспериментальных исследований выявится необходимость увеличения длины камеры испарения парогенератора. В стойках предусмотрены ребра, обеспечивающие дополнительную жесткость конструкции.

Рис. 1. Эскиз схемы энергоустановки 1 - диафрагма; 2 - труба выхода; 3 - проставка;

4 - турбопривод; 5 - патрубок; 6 - тройник;

7 - парогенератор; 8 - устройство запальное; 9 - рама;

10 - насос пожарный (насос нагрузочный), 11, 12 - стойки, 13 - регулируемая стойка, 14 - съемная стойка.

При проведении отдельных испытаний парогенератора стойки поз. 11 и 12 демонтируются, и дополнительно устанавливается стойка поз 14.

Проведение экспериментальной отработки разрабатываемой энергоустановки планируется на испытательном стенде ОАО КБХА. Стенд полностью отвечает условиям выполнения опытноконструкторских работ. Блок схема испытательного стенда приведена на рис. 2.

Испытательный стенд оборудован

следующими системами:

- системой измерения и системой регистрации измеряемых параметров при работе энергоустановки;

- системой подачи газообразного водорода, состоящей из баллонов высокого давления, фильтров тонкой очистки, понижающих редукторов и подводящих магистралей. Заправка газообразным водородом баллонов высокого давления осуществляется по трубопроводу непосредственно от поставщика;

- системой подачи газообразного кислорода, состоящей из баллонов высокого давления, фильтров тонкой очистки, понижающих редукторов и подводящих магистралей. Заправка баллонов осуществляется накоплением жидкого кислорода в емкости высокого давления, где он газифицируется и сжимается, заполняя баллоны, до давления 32 МПа за счет притока тепла из атмосферы [4].

- системой подачи химобессоленной воды, состоящей из баллонов высокого давления, фильтров тонкой очистки, и подводящих магистралей. Заправка химобессоленной водой осуществляется путем передавливания воды из транспортной емкости в стендовые баллоны.

Емкость с газообразным Испытательный Емкость с газообразным

водородом стенд кислородом

Емкость с Система подачи

химобессоленной водой азота

Рис. 2. Блок схема испытательного стенда

Для подключения энергоустановки к подводящим магистралям подачи компонентов топлива, химобессоленной воды и газообразного азота была разработана пневмогидравлическая система.

Принципиальная схема обеспечения подачи компонентов топлива, рабочих жидкостей и газов представлен на рис. 3.

Данная система в совокупности с системами управления и измерения предназначена для обеспечения проведения испытаний

энергоустановки.

Пневмогидравлическая система подключения энергоустановки к испытательному стенду должна обеспечивать выполнение следующих требований:

- обеспечение требуемых параметры пара перед турбиной: температура порядка 950 К и давление 6,5 МПа;

- КПД цикла энергоустановки с учетом утилизации тепла не менее 30 %;

- запуск энергоустановки на предварительный режим с низкой температурой пара (~ 650 К);

- медленный перевод энергоустановки на основной режим с градиентом роста температуры пара ~ 30 ^ 40 град/сек.

- обеспечение соотношение компонентов топлива 7,95;

- подачу газообразного кислорода с давлением

7.6 МПа и расходом 1,415 кг/с к энергоустановке;

- подачу газообразного водорода с давлением

7.6 МПа и расходом 0,178 кг/с к энергоустановке;

- подачу химобессоленой воды с давлением 8 МПа и расходом 4,36 кг/с к энергоустановке;

- подачу масла с давлением 0,5 МПа и расходом 8,2 л/мин к энергоустановке;

- подачу воды для нагрузочного насоса энергоустановки;

- технологические продувки магистралей подачи компонентов топлива и химобессоленной воды охлаждения и парообразования.

Рис. 3. Принципиальная схема обеспечения подачи компонентов топлива, рабочих жидкостей и газов в энергоустановку

ПГ - газогенератор водяного пара (парогенератор), ТП - турбина паровая, ЗУ - запальное устройство, Г - подача горючего в головку ПГ, Гп - подача пускового горючего в головку ПГ, О - подача окислителя в головку ПГ, Оп - подача пускового окислителя в головку ПГ, В - подача воды в камеру ПГ, Вп - подача пусковой воды в камеру ПГ, ВС - подача воды в смеситель ПГ, ВСп - подача пусковой воды в смеситель ПГ,ГЗУ - подача горючего в ЗУ,ОЗУ - подача окислителя в ЗУ, ПрО - продувка азотом полости окислителя головки ПГ, ПрГ - продувка азотом полости горючего головки ПГ, ПрВ - продувка азотом полости подачи воды в камеру ПГ, ПрВС - продувка азотом полости подачи воды в смеситель ПГ, ПрГЗУ - продувка азотом линии горючего ЗУ, ПрОЗУ - продувка азотом линии окислителя ЗУ, МП - подача масла на подшипники ТП, ПрТ - продувка азотом разделительной полости турбины ТП, ПрН - продувка азотом разделительной полости полезной нагрузки ТП, ДН - дренаж утечек из разделительной полости полезной нагрузки ТП, ДМП - дренаж масла после подшипников ТП, П - отвод пара.

С целью выполнения вышеуказанных требований функционального назначения системы подключения энергоустановки к

экспериментальному стенду были разработаны математические модели типовых элементов системы и принципы объединения частных моделей в общую математическую модель энергетической установки.

Сложность математического моделирования запуска, выключения и переходных процессов

энергоустановки связана с тем, что этим режимам свойственен ряд специфических физических процессов. К ним относятся: процессы заполнения трубопроводов и смесительных головок камеры сгорания, кинетики воспламенения и выгорания компонентов топлива, получения парогаза на выходе из камеры испарения, гидроудары в трубопроводах, кавитационные явления в насосах, и ряд других.

Чтобы обеспечить надежный запуск, необходимо организовать плавное нарастание давлений в газогенераторе и камере сгорания и температур в этих агрегатах на начальном участке запуска. Это достигается соответствующим выбором характеристик зажигания и дозирования компонентов топлива на пусковых режимах.

Математические модели описывают целый ряд элементов с распределенными параметрами. К ним относятся топливные трубопроводы, проточные элементы газовых трактов и лопаточных машин, внутренние каналы агрегатов автоматики и тракта камеры сгорания и испарения.

Для моделирования нестационарных гидродинамических процессов на переходных

режимах работы применяется метод конечных

элементов. По сравнению с классическими способами математического представления

гидродинамических процессов с помощью уравнений в частных производных метод конечных элементов проще и менее трудоемок. Сущность этого метода заключается в разбиении

моделируемого объема сплошной среды на достаточно малые конечные элементы и непосредственном введении в модель исходных физических уравнений, описывающих движение и изменение состояния жидкости и газа на участках разбиения. При этом математическая модель представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений, для решения которой уже имеется хорошо разработанный математический аппарат. При применении метода конечных элементов, уменьшая размеры объемов разбиения, становится возможным моделировать нестационарные процессы различных частот, в том числе волновые и все другие динамические явления, описываемые общими нелинейными

дифференциальными уравнениями гидродинамики. Это позволяет максимально приблизить расчетную модель к реальному объекту. Основные принципы построения подобных математических моделей энергоустановок приведены в [5].

Разработанные математические модели будут использоваться для оптимизации циклограммы запуска и останова энергоустановки, выбора циклограммы и анализа результатов испытаний.

1. Математическая модель гидромагистрали

Любая гидравлическая магистраль может быть представлена как набор простых трубопроводов постоянного сечения, разделенных

сосредоточенными сопротивлениями. Движение жидкости в простых трубопроводах описывается

известными уравнениями одномерного

нестационарного потока. Это уравнения для количества движения и неразрывности жидкости:

д и ди д

+ и ■ =

д X д х р д х

др д ( р ■ и )

+ = 0,

д X дх

V ■ и

2

(1)

где и - скорость потока, м/с; р - давление, Па; р - плотность, кг/м3;

Т - время, с;

V - коэффициент распределенного

сопротивления;

х - координата длины.

Эта система уравнений сводится к системе обыкновенных дифференциальных уравнений

интегрированием по х от 0 до Ь.

2

Ь йт * т

= Р

Р

(2)

Г йТ Г ■ р

2

йр а

-- = -------(т г - т ),

' Ь 0

йТ Ь ■ Г

где Ь - длина трубопровода.

*

V - коэффициент сопротивления.

При интегрировании обычно предполагалось, что

5 т и д р

производные

не зависят от длины

д X д X

трубопровода, кроме того, не учитывается скоростной напор в магистралях, что вполне оправдано. Окончательно уравнения простого трубопровода записываются в виде:

<іт F

---— -----(Р — Р — Я ■ т ■ | т |);

I 0 III

& ь

2

<ір а

(3)

■ (т — т ),

ь 0 & V

где V - объем магистрали, м3;

Яь - коэффициент гидравлического сопротивления магистрали.

В результате для магистралей получим систему обыкновенных нелинейных уравнений

dm ______к

dt

F

2 А х 2

■ (Р — Р — Я ■ гіг ■ | гіг |);

к — 1 к +1 к к к

■(т к—1 — т к+1)’

(4)

Ах ■ Г где к = 1, 2, ...п.

Выбор величины Ах зависит от частоты колебаний переходного процесса и определяется из

ю ■ А х ж условия ________£ ______,

а 1 0

я

а

где ю - круговая частота колебаний, Гц;

а - скорость звука в жидкости, м/с. Например, для воды при расчете переходных процессов с частотой колебаний до 200 Гц А х должно быть не более 350 мм.

Расчетная схема гидравлической магистрали представлена на рис. 4.

Рвх С

т 1

т.

2

"/V

т.

3 с

V

■7^

V

N —1

■/"Г

рв

т

N—1

т

N

Рис. 4. Расчетная схема гидравлической магистрали

Окончательно система дифференциальных уравнений гидромагистрали имеет вид 2

■ (т - тг+1 X г = 1 ^ - 1 (5)

<% (М — 1) ■а

dt

V

Лт, N ■ F Хтр т, ■ т.

-Г = ■ (Рвх — Р1 — (Хвх +-рг) ■ ^^)>

dt Ь N р

dt

■ (Р

■ (Р

N—1

р — (X

гвых ч,вых

-), і = 2, ..., N — 1,

^тр N

+ —)-----------------),

dt

где Ь - длина гидромагистрали, м;

Б - площадь проходного сечения гидромагистрали, м2;

V - объем гидромагистрали, м3;

X

ь вх - коэффициент сопротивления на входе гидромагистрали, Па-с2/(кг-м3);

х

ЬТР - коэффициент распределенного

сопротивления, Па^с2/(кгм3);

х

ь вых - коэффициент сопротивления на выходе гидромагистрали, Па-с2/(кг-м3);

а - скорость распространения возмущений в рабочей жидкости, м/с;

р - плотность рабочей жидкости, кг/м3;

т. - массовые расходы, кг/с;

р. - давления на участках магистрали, Па;

РВХ - давление на входе магистрали, Па;

рВЫХ - давление на выходе магистрали, Па.

2. Математическая модель газовой магистрали Газовая магистраль, как и гидравлическая, для моделирования переходных процессов разбивается на N участков, для каждого из которых записываются уравнения для давления, соотношения компонент, массы газа, произведения температуры на газовую постоянную, а также массового расхода газа.

Система дифференциальных уравнений, описывающих динамику газовой магистрали, имеет вид:

dp к

— = — ■ (Твх ■ Явх ■ «вх — Т1 ■ Я1 ■ т) ,

dt V

ЛКт1 Кт1 +1

dt

ЛМ1

Л

йт ВХ

л

і

Л

м,

1 + Кт„

■ (КтВХ — Кті)’

(6)

■ ( Рвх — Р1 — К0 ■

т ■ \т ■ (Т ■ Я + Т ■ Я )

ВХ ВХ ВХ ВХ 1 1

Рвх + Р1

Ъ , г т і ■ Г А ■ (Ті ■ Яі + Ті+1 ■ Яі+1)ч

— ■(Рі — Рі+1 — Кі-------------------------------------),

Ьг Рі + Рі+1

і = 1, 2,..., N — 2

^вых FN

ь.

■ (Р — Р — К

'•* N —1 ^ВЫ1Х N

Я = К(Кш.), т = (Т‘ Я),

1 1 ' Я

1

где N - количество отрезков разбиения газовой магистрали;

рВХ - давление на входе газовой магистрали,

Па;

р. - давление на 1-ом участке газовой

магистрали, 1 = 1, 2, ..., N Па;

рвых - давление на выходе газовой

магистрали, Па;

тВХ - массовый расход на входе газовой магистрали, кг/с;

т. - массовый расход из 1-го участка газовой магистрали в (1+1)-й, кг/с;

т„

массовый расход на выходе газовой

магистрали, кг/с;

М. - масса газа на 1-ом участке газовой магистрали, 1 = 1, 2, ..., N кг;

КтВХ - соотношение компонент на входе в газовую магистраль;

Кт - соотношение компонент на 1-ом участке газовой магистрали;

ТВХ - температура на входе в газовую магистраль, К;

N ■

ХТР ті ■ \ті

)

ь

N

Р

Лт N N ■ F

Ь

N

Р

■\т ■ Т ■Я

ВЫХ ВЫЮ N—1 N—1

)

N

Т - температура на 1-ом участке газовой магистрали, К;

ЯВХ - газовая постоянная на входе в газовую магистраль, Дж/(кг-К);

Я; - газовая постоянная

газовой магистрали, Дж/(кг-К);

на 1-ом участке

V; - объем 1-го участка газовой магистрали,

1 = 1, 2,

N м'

3

р - проходная площадь 1-го участка газовой

2

магистрали, м ;

К; - коэффициент сопротивления 1-го участка

газовой магистрали, Па-с2/(кг-м3);

к - показатель адиабаты.

Введение уравнения, учитывающего изменение соотношения компонент к1 позволяет использовать данную систему уравнений и для описания процессов в камере испарения и камере сгорания при изменении состава газа при течении по магистрали. В случае газа постоянного состава (газ продувки и т. д.) система уравнений существенно упрощается: газовая постоянная не изменяется и уменьшается количество уравнений.

3. Математическая модель сосредоточенного сопротивления для газа

Для расчета массового расхода газа через местное сопротивление (дросселирующий элемент, сопло) с учетом направления потока газа используются обычные зависимости газовой динамики (критическое и докритическое истечение).

4. Математическая модель сосредоточенного сопротивления для жидкости

Для расчета массового расхода жидкости через местное сопротивление (дросселирующий элемент, сопло) с учетом направления потока жидкости используются обычные зависимости гидравлики, которые имеет следующий вид:

т = ящп(Рвх - Рвых)■ цР , (7)

- расход через дросселирующий

где твых элемент, кг/с;

Рвх - давление на входе в дросселирующий элемент, Па;

Р„,

давление

на

выходе

из

дросселирующего элемента, Па;

цР - условная площадь проходного сечения,

м2.

5. Математическое моделирование клапанов энергоустановки

Клапана на входе в энергоустановку моделируются как сосредоточенное сопротивление, проходная площадь которого (цБ) зависит от времени. Как правило, используется экспоненциальный или степенной закон изменения площади от времени. Время полного открытия

клапана принимается по экспериментальным

данным.

6. Принципы объединения частных

математических моделей в общую модель

Математические модели отдельных элементов энергоустановки разработаны таким образом, что система уравнений каждого элемента позволяет по заданным параметрам рабочего тела на входе (расход, давление, температура, состав) определить параметры рабочего тела на выходе. Поэтому их легко объединить в общую математическую модель, правильно связав выход одного элемента с входом другого, используя разработанную структурную схему энергоустановки. В местах развилки магистралей устанавливается газовая,

газожидкостная или гидравлическая емкость, что позволяет легко учитывать слияние или разделение потоков. Главная трудность создания такой динамической модели заключается только в ее объеме: количество нелинейных обыкновенных

дифференциальных уравнений в полной модели энергоустановки около 1000.

Поэтому при реализации такой трудоемкой задачи используются следующие принципы:

- автономная разработка и отладка отдельных блоков и элементов модели;

- использование блоков и элементов уже апробированных и проверенных в других аналогичных моделях;

- использование методов и пакетов программ, формализующих процедуру объединения отдельных блоков в единую математическую модель;

- исключение из модели нелинейных алгебраических уравнений (их присутствие в модели часто приводит к неустойчивости расчета) и замена их обыкновенными дифференциальными уравнениями с некоторыми постоянными времени описываемых физических процессов.

Кроме математических моделей отдельных элементов, рассмотренных в этом разделе, общая математическая модель включает математические модели наиболее сложных элементов (блок ТНА, зона горения камеры сгорания и зона испарения в камере испарения) [6,7].

Окончательная проверка математической

модели возможна только при сопоставлении результатов расчета с имеющимися

экспериментальными данными, в том числе и при испытаниях прототипов. Так как математическая модель содержит значительное количество коэффициентов, значения которых на этапе проектирования могут быть заданы только

приблизительно, в процессе идентификации модели уточняются значения этих коэффициентов.

С учетом приведенных выше математических моделей и требований к системе подключения энергоустановки к испытательному стенду была разработана пневмогидравлическая схема, эскиз которой представлен на рис. 5.

г 11 ^

■ і 1 >

5 к»

^ - датчик давление - датчик температуру пне&моыопан, Г- I- сопла,-1>^— клепан оЬратнаЦ —- шайЬс дроссельная, -.' I ; уилотр; \^ц - датчик йиЬрации; ^ч^.- дросселе 4* - датчик Вращения,

гу1 - датчик пульсации давления 1^41 - раскедометр (1ПР); ЕХЭ - пакет жиклеров - гротадстчик; ^ - запольное устройству 1ТТ1 | | - парогенератор’ Ц - турёопривсд

Рис. 5. Эскиз пневмогидравлической схемы подключения энергоустановки к испытательному стенду

Принцип работы системы подключения энергоустановки к испытательному стенду представлен ниже.

Перед запуском энергоустановки для удаления из внутренних полостей воздуха проводятся продувки трубопроводов газообразным азотом.

Запуск энергоустановки производится подачей горючего (газообразный водород) и окислителя (газообразный кислород) в запальное устройство ЗУ. Компоненты подаются по отдельным линиям при открытии пневмоклапанов 1 - горючее и

2 - окислитель. Расход компонентов определяется дроссельными шайбами 3 - горючее и

4 - окислитель. При попадании компонентов в камеру запального устройства их поджиг

осуществляется с помощью электрической свечи. Контроль возгорания компонентов в запальном устройстве осуществляется с помощью фотодатчика или по росту температуры в камере сгорания. Далее компоненты топлива по основным трубопроводам, при открытии пневмоклапанов предварительного режима 5 - горючее и 6 - окислитель, через сверхкритические сопла 7 - горючее и

8 - окислитель с заданными расходами попадают в смесительную головку, где проходя через форсунки, создающие оптимальное смесеобразование, попадают в камеру сгорания парогенератора. В камере сгорания поджиг смеси компонентов на предварительном режиме осуществляется запальным устройством. После возгорания в камере сгорания парогенератора подача компонентов в запальное устройство прекращается. Для предотвращения натекания компонентов топлива в запальное устройство на всем протяжении работы энергоустановки в него подается газообразный водород, отбираемей со смесительной головки через

обратный клапан 9. Расход на продувку газообразным водородом запального устройства определяется дроссельной шайбой 10.

Также на предварительном режиме при открытии пневмоклапанов 11 - подача воды на завесу камеры сгорания, 12 - подача воды на охлаждение камеры сгорания и 13 - подача воды балластировки в парогенератор подается химобессоленная вода. Расход воды для предварительного режима обеспечивается дроссельными шайбами 14 - вода на завесу камеры сгорания, 15 - вода на охлаждение камеры сгорания и 16 - вода балластировки.

Предварительный режим запуска

энергоустановки осуществляется с целью плавного выхода турбины на режим.

Выход на основной режим работы энергоустановки осуществляется открытием пневмоклапанов основного режима 17 - горючее, 18 - окислитель, 19 - подача воды на завесу камеры сгорания, 20 - подача воды на охлаждение камеры сгорания и 21 - подача воды балластировки. Расход компонентов и воды на основном режиме обеспечивается сверхкритическими соплами 22 - горючее, 23 - окислитель и дроссельными шайбами 24 - вода на завесу камеры сгорания, 25 - вода на охлаждение камеры сгорания, 26 - вода балластировки. Расход компонентов и воды предварительного и основного режима суммируется и подается в парогенератор. Температура и давление в парогенераторе возрастает и достигает своих рабочих значений.

Для предотвращения резкого увеличения оборотов турбины в системе предусмотрено дроссельное устройство 27. При выходе на основной режим работы энергоустановки дроссель 27

находится в открытом состоянии и небольшой расход пара через него сбрасывается в атмосферу, благодаря чему турбина работает на меньших оборотах. При выравнивании параметров работы энергоустановки дроссельное устройство уменьшает сбрасываемый массовый расход пара до выхода турбины на номинальный режим работы по оборотам. Отработанный пар после турбины сбрасывается в атмосферу.

Для обеспечения поглощения мощности турбины на ее валу устанавливается центробежный водяной насос.

Для уменьшения трения подшипников турбопривода предусмотрена масляная система, а для предотвращения попадания масла в турбину предусмотрена система азотной продувки разделительных полостей турбины, подача азота осуществляется открытием пневмоклапана 28. Масляная система состоит из емкости, фильтра и пневмоклапана 29 для осуществления подачи масла в турбопривод. Для создания давления масла перед турбоприводом емкость оборудована наддувом газообразным азотом.

Так как выдаваемый насосом расход воды составляет 57 кг/с, то реализация прямоточного рабочего цикла перекачки рабочей среды (воды) при испытаниях будет проблематична. В связи с этим система подачи и отвода воды выполнена по замкнуто-разомкнутому циклу с использованием расширительной емкости.

Мощность, передаваемая ротором турбины насосу, будет поглощаться дросселирующим устройством (пакет жиклеров) 30, которое установлено на выходе из него. После дроссельного устройства вода попадет в расширительную емкость 31, из которой через фильтр тонкой очистки 32 и датчики расхода 33 будет возвращаться на вход насоса с частичной подкачкой.

После прекращения испытания, для удаления не вступивших в реакцию компонентов топлива, подается газообразный азот на продувку трубопроводов.

Фотографии трубопроводов подачи компонентов топлива, химобессоленной воды, и азота на испытательном стенде представлены на рис. 6.

в)

Рис. 6. Фотографии трубопроводов подачи компонентов топлива, химобессоленной воды, и азота на испытательном стенде: а - фотография трубопровода подачи горючего, б - фотография трубопровода подачи окислителя, в - фотография трубопровода подачи химобессоленной воды, г - фотография трубопровода подачи азота

Расходы компонентов топлива и химобессоленной воды в энергоустановку регулируются давлением на входе в расходомерное устройство (сверхкритическое сопло, дроссельная шайба) и определяется его геометрией.

Массовые расходы газообразного водорода и газообразного кислорода в парогенератор через сверхкритические сопла при пусковом и основном режимах определяются по формуле:

т = К ^Р„ ■ 9,81 ■ 104

1

где К - коэффициент расхода расходомерного сопла, определенный по результатам продувки на воздухе;

вх - давление компонента на входе в расходомерное сопло, Па (определяется по датчику давления перед соплом);

Я - газовая постоянная компонента, Дж/(кгК);

Т

вх - температура на входе в расходомерное сопло, К (определяется по датчику температуры перед соплом);

і

2 - коэффициент сжимаемости компонента при температуре и давлении полученных на входе в расходомерные сопла.

Массовые расходы газообразного водорода и газообразного кислорода в запальное устройство через дроссельные шайбы определяются по формуле:

пі = Кш -Рвх - 9,81 -104-Х

1

(9)

где ' ш - коэффициент расхода дроссельной шайбы, определенный по результатам продувок на воздухе;

Р

вх - давление компонента на входе в дроссельную шайбу, Па (определяется по датчику давления перед шайбой);

Т

вх - температура компонента на входе в дроссельную шайбу, К (определяется по датчику температуры перед шайбой);

X

ь - термодинамический коэффициент расхода компонента, зависящий от температуры и давления;

Я - газовая постоянная компонента, Дж/(кг'К).

Расход воды через дроссельные шайбы фиксируется по показаниям турбинных преобразователей расхода 34, 35, 36.

В рамках проведения опытно-конструкторской работы были разработаны математические модели типовых элементов, а также спроектирована, изготовлена и смонтирована система подключения энергоустановки к экспериментальному стенду, что в свою очередь обеспечивает безаварийную экспериментальную отработку водородной паротурбинной энергоустановки с заданными характеристиками.

Работа выполнена в рамках Госконтракта № 16.526.12.6004 от 13.05.2011г. «Разработка

опытной универсальной экологически чистой водородной паротурбинной энергоустановки с механическим приводом на валу мощностью до

5 МВт», шифр «2011-2.6-526-016-001».

Литература

1. Аметисов Е.В. Основы современной энергетики: учеб. пособие: в 2 т./ под общей ред. Е.В. Аметисова - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - Т.1. Современная теплоэнергетика / Трухний А.Д., Изюмов М.А., Поваров О.А., Малышенко С.П. - С. 439 - 441.

2. Ильичев В.А., Пригожин В.И., Печенкин П.Е. Савич А.Р. Создание экспериментальной установки для получения водородосодержащего пирогаза и углеродных наноструктур в едином технологическом цикле / В.А. Ильичев // Научно-технический юбилейный сборник 19412011 г, посвященный 70-летию образования КБхимавтоматики - Воронеж: ИПФ «Воронеж», 2011. -Т.3. - С. 237 - 243.

3. Ильичев В.А., Пригожин В.И., Савич А.Р., Дроздов И.Г., Пригожин А.А. Экспериментальные исследования рабочих процессов модельной водородной паротурбинной энергоустановки Ракетно-космическая техника и технология 2009 / В.А. Ильичев // Труды Российской научно-технической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения главного конструктора, профессора В.П. Козелкова (1929-2009). -Воронеж: ГОУВПО «ВГТУ», 2009 - С.35 - 39.

4. Пат. 2445503 Российская Федерация, МПК:

Б02К9/96, 001М15/02.. Стенд для испытаний

энергоустановок с криогенными компонентами топлива / Пригожин В.И., Савич А.Р., Зарницын В.В., Зюбин Е.И.; заявитель и патентообладатель ОАО «КБХА». № 2010141526, заявл. 2012.03.20; опубл. 2012.03.23.

5. Шевяков А.А., Калнин В. М., Науменкова И.В., Дятлов В.Г. «Теория автоматического управления ракетными двигателями». М., «Машиностроение», 1978 -288 с.

6. Моделирование гидрогазодинамики и теплообмена в каналах соплового устройства водородной энергоустановки/ А. А. Пригожин, И. Н. Лазаренко, Д. П. Шматов, И.Г. Дроздов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 12-1. - С.72 - 76.

7. Иванов А. В. Моделирование течения в кольцевом уплотнительном зазоре турбомашины/ А. В. Иванов, А.В. Москвичев, А.А. Цыганов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 12. - С. 112 — 114.

Воронежский государственный технический университет ОАО «Конструкторское бюро химической автоматики»

WORKING OUT OF THE TEST BED FOR EXPERIMENTAL WORKING OFF OF HYDROGEN STEAM TURBINE POWER INSTALLATION

A.S. Ignatov, T.S. Timoshinova, S.A Kuryanov, V.A Ilyichev, S.A. Lebedinsky

In the presented work working out of the test bed for experimental working off of skilled universal modular nonpolluting hydrogen steam turbine power installation with a mechanical drive on a shaft capacity to 5 MW is described. In article bench systems, a principle of their work are described, mathematical models of systems of power installation are developed

Key words: gaseous hydrogen, gaseous oxygen, a steam and gas generator, power installation, the turbine