CC BY
89
УДК 621.165; 662.75/76
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ МОДЕЛЬНОЙ ВОДОРОДНОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАРОТУРБИННОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
В. А. Ильичев, В.И. Пригожин, А.Р. Савич, И.Г. Дроздов, А. А. Пригожин
В работе представлены конструктивные особенности модельной водородной паротурбинной энергоустановки, приведена схема ее подключения к огневому испытательному стенду, указан порядок проведения эксперимента, рассмотрена оценка погрешностей исследования и приведены результаты обработки испытаний с описанием графиков исследуемых рабочих процессов
Ключевые слова: энергоустановка, турбина, водород, парогенератор
Развитие водородной энергетики связано с. созданием новых систем производства электроэнергии, использующих водород в качестве энергоносителя и аккумулятора энергии. К настоящему времени в нашей стране, в Германии, Италии, Японии и США выполнен обширный цикл расчетно-теоретических исследований термодинамической и техникоэкономической эффективности водородных энергоустановок различного уровня мощности и различных типов. Исследуются энергоустановки на базе топливных элементов (в том числе высокотемпературных), энергоустановки паротурбинного цикла, автономные энергоустановки на базе дизельгенера-торов и т. д.
В этой связи в развитых странах выполняются исследования и разработки новых ключевых элементов таких энергоустановок. В Японии - решаются проблемы водородо-кислородных парогенераторов и сопловых аппаратов турбин тепловой мощностью до 500 МВт, в Германии создан ряд экспериментальных водородо-кислородных парогенераторов тепловой мощностью до .00 МВт, работающих по схеме газ-жидкость, в Италии начаты исследования по созданию водородных турбоустановок малой мощности до 20 кВт. В США исследуются возможности и перспективы использования водорода в качестве топлива для автономных турбоустановок тепловой мощностью до 100-150 кВт и создания соответствующих парогазогенераторов.
Центральной проблемой создания эффективных водородных паротурбинных и парогазовых энергоустановок является разработка их главных ключевых элементов, обеспечивающих эффективность и устойчивость рабочих процессов получения
Ильичев Виталий Александрович - ОАО КБХА, начальник группы, тел. (4732) 77-14-40, e-mail: cadbik@inbox.ru Пригожин Виктор Иванович - ОАО КБХА, директор Испытательного комплекса, тел. (4732) 77-14-40, e-mail: cadbik@inbox.ru
Савич Анатолий Романович - ОАО КБХА, ведущий конструктор направления, тел. (4732) 77-14-40, e-mail:
cadbik@inbox.ru
Дроздов Игорь Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 34-61-08, e-mail: rd-vgtu@mail.ru Пригожин Антон Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. (4732) 34-61-08, e-mail: rd-vgtu@mail.ru
пара в переменных, в том числе пиковых режимах работы, имеющих высокую надежность. Длительный ресурс работы конструкции, технологичность, безопасность эксплуатации энергоустановок должны соответствовать требованиям, принятым в энергетике. Решение указанного комплекса задач в настоящее время отсутствует во всех упомянутых выше зарубежных разработках.
К настоящему времени рост стоимости топлива и требования к экологическим показателям создали условия для внедрения высокоэффективных технологий производства электроэнергии с коэффициентом полезного действия 0,5 и более.
Для решения вышеупомянутых задач силами ОАО КБХА и ГОУ ВПО «ВГТУ» совместно с ОИВТ РАН была создана модельная водородная паротурбинная энергоустановка. При этом в основу разработки положен ряд новых схемных и технических решений, а именно:
- сжигание водорода в среде кислорода при стехиометрическом соотношении компонентов а ~ 1 и давлении в камере сгорания 7 МПа;
- получение перегретого пара с температурой до 1200 К и давлением до 7 МПа за счет испарения балластировочной воды струей па-рогаза, истекающей из камеры сгорания со скоростью ~ 400 м/с и температурой ~ 2600 К;
- использование регенерации тепла от перегретого водяного пара на выходе из турбины;
Указанные решения позволяют достигнуть КПД разработанной водородной турбоустановки ~ 0,7 и обеспечить ее полную экологическую безопасность.
Предложенная концептуальная схема водородной высокотемпературной паротурбинной энергоустановки с температурой водяного пара до 1200 К и давлением в камере сгорания парогенератора 7 МПа для производства электроэнергии и перегретого пара в промышленной энергетике показана на рис. 1.
Энергетическая установка включает в себя паровую машину, выполненную в виде высокотемпературного кислородно-водородного парогенератора, кинематически связанную с электрогенератором. На выходе парогенератора установлена турбина, вы-
ходной вал которой кинематически связан с водяным насосом, причем вход водяного насоса соединен с выходом теплообменника, установленного в магистрали выхода из турбины перегретого пара. Выход водяного насоса подстыкован к тракту охлаждения парогенератора и системе смазки и охлаждения подшипников энергоустановки.
Рис. 1. Схема водородной паротурбинной энергоустановки для промышленной энергетики: 1 - парогенератор;
2 - турбонасосный агрегат; 3 - турбина; 4- центробежный насос подачи воды; 5 - электрогенератор; 6 и 7 - магистрали подачи и отвода воды на смазку и охлаждение подшипников, балластировку и охлаждение парогенератора;
8 - теплообменник; 9 - вентиль подачи горячей воды потребителю
Для экспериментальных исследований рабочих процессов, подтверждающих предложенную концепцию состава и принципа работы промышленной энергоустановки, была разработана и создана ее модель с выходной тепловой мощностью до 5,0 МВт и регулируемой нагрузкой. Отличительной особенностью модельной водородной паротурбинной энергоустановки является замена электрогенератора двумя центробежными насосами подачи воды, моделирующими его мощностную нагрузку.
Созданная модельная водородная паротурбинная энергоустановка тепловой мощностью до 5,0 МВт с регулируемой нагрузкой показана на рис. 2.
Парогенератор с тепловой мощностью до 20 МВт, разработки ОИВТ РАН, г. Москва [1-3], в составе модельной паротурбинной энергоустановки используется для получения перегретого пара с температурой порядка 1000-1200 К при давлении 7 МПа. Он состоит из запального устройства, обеспечивающего поджиг водо-родо-кислородной смеси, смесительной головки, создающей оптимальное смесеобразование компонентов топлива, камеры сгорания, в которой непосредственно происходит горение реагирующих компонентов, и камеры испарения для испарения воды, поступающей из рубашки охлаждения камеры сгорания и линии балластировки.
Одноступенчатая активная турбина мощностью 1830 кВт с числом оборотов 19480 об/мин, вращае-
мая перегретым паром, предназначена для передачи крутящего момента на ротор исполнительных механизмов, в данном случае, двух центробежных водяных насосов мощностью 776 кВт и 1054 кВт.
В представленном варианте исполнения модельной паротурбинной энергоустановки водяные насосы применяются для поглощения мощности турбины.
Рис. 2. Модельная водородная паротурбинная энергоустановка мощностью до 5,0 МВт с регулируемой нагрузкой: 1 - парогенератор; 2 - турбина; 3- два центробежных насоса; 4 - переходник с магистралью частичного сброса перегретого пара до турбины в атмосферу;
5 - магистраль выхлопа перегретого пара после турбины в атмосферу
Для регулирования мощности турбины изменением массового расхода перегретого пара, подающегося на нее, в магистрали частичного сброса перегретого пара до турбины в атмосферу и выхлопа перегретого пара после турбины устанавливаются дросселирующие устройства с соответствующими расчетными диаметрами проходного сечения.
При проведении исследований рабочих процессов модельной водородной паротурбинной энергоустановки выбор был остановлен на огневом стенде 5, расположенном на Испытательном комплексе ОАО КБХА [4]. Стенд полностью отвечал условиям проведения испытаний согласно разработанной программе-методике проведения исследований.
Для обеспечения подачи компонентов топлива и рабочих сред с требуемыми расчетными параметрами к энергоустановке была разработана пневмо-гидравлическая схема ее подсоединения к стендовым системам. Эскиз разработанной пневмогидрав-лической схемы представлен на рис. 3.
Для обеспечения поглощения мощности турбины, как сказано выше, используются два центробежных водяных насоса. Так как выдаваемый ими суммарный расход воды составляет порядка 97,8 кг/с, то объектовая реализация прямоточного рабочего цикла перекачки воды при огневых стен-
довых испытаниях была проблематична. В связи с этим система подачи и отвода рабочей среды выполнена по замкнутому циклу с использованием расширительной емкости объемом 10 м3.
(|»7 ф
Усмобнае обозначения А - бентилы ф - датчик температурне
‘ ® £ - пнвйчокюпон О " роежодоиеа
Ж - июобо дроевлонок ф- фильтр
ф - датчик дабметяс
Рр=10,5ИПо
Рис. 3. Эскиз пневмогидравлической схемы подсоединения энергоустановки к стендовым системам: 1- датчик давления перегретого пара перед шайбой в магистрали выхлопа после турбины в атмосферу; 2- датчик давления перегретого пара перед колесом турбины; 3- датчик давления перегретого пара за колесом турбины; 4 - датчик температуры перегретого пара в камере испарения парогенератора (температура перед турбиной); 5 - датчик температуры перегретого пара перед шайбой в магистрали выхлопа после турбины в атмосферу (температура перегретого пара после турбины); 6 - датчик давления перегретого пара в камере испарения парогенератора (температура перегретого пара перед турбиной); 7 и 8 - турбинные датчики расхода воды через насосы 1 и 2; 9 и 10 - турбинные датчики расхода воды в парогенератор на охлаждение и балластировку; 11 и 12 - датчики давления воды перед насосами 1 и 2; 13 и 14 - датчики давления воды после насосов 1 и 2; 15 - датчик числа оборотов ротора турбины; 16 и 17 - датчики давления воды после шайб на выходе из насосов.
Мощность, выдаваемая водяными насосами, поглощается дросселирующими устройствами, которые установлены на выходе из них. Затем вода попадается в расширительную емкость с предварительно набранным давлением 0,5-0,7 МПа, из которой через фильтр тонкой очистки и датчики расхода возвращается обратно на входы насосов.
Для управления агрегатами подачи компонентов топлива и рабочих сред к энергоустановке согласно циклограмме проведения испытаний и обеспечения снятия показаний датчиками контроля параметров были разработаны системы измерения и управления параметрами огневого стенда.
Одно из огневых испытаний модельной паротурбинной энергоустановки на стенде 5 представлено на рис. 4.
Параметры, измеренные на стационарном режиме работы установки, приведены на
рис. 5 - 8.
Рис. 4. Фотография огневого испытания модельной паротурбинной энергоустановки на стенде 5
п,
об/мин
14000
8000
Рис. 5. Давление перегретого пара перед турбиной (в камере испарения) -1 и частота
вращения ротора турбины - 2.
О (насос 1, 2), О ^рогежраторХ
кг/сек кг/сек
1,еек
18000
6
5
4
3
2
0
Рис. 6. Расходы воды: 1, 2 - через центробежные водяные насосы 1 и 2; 3, 4 - в парогенератор (на охлаждение и балластировку соответственно).
Экспериментальное значение массового расхода определялось, как сумма расходов воды, кислорода и водорода, подаваемых в парогенератор (с учетом расхода через байпасную линию).
Отклонение значения КПД турбоустановки, определенного по мощности, потребляемой насоса-
ми, от расчетного значения (рис. 7), определенного по характеристике турбины незначительно и составляет 2-4 %.
і, сек
Рис. 7. Расчетные параметры турбины
Кроме параметров турбины были проанализированы параметры парогенератора и проведено их сравнение с результатами расчета с учетом предыдущих испытаний парогенератора.
На рис. 8 приведена зависимость температуры пара от коэффициента балластировки (отношение расхода воды к расходу топлива), полученная по результатам расчета и результатам испытаний парогенератора в составе установки.
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
Тпара, К
♦ Исп.1
■ Исп.2
▲ Исп.3
♦ Исп.4
• Исп.5
• Исп.6
▲ Исп.23-07
3,4 К бал
Рис. 8. Зависимость температуры парогаза от коэффициента балластировки
Как показывают результаты анализа, температура пара несколько ниже среднестатистических значений (на 50 К), хотя и находится в пределах статистического разброса имеющихся данных и близка к расчетной кривой при использовании низшей теплоты сгорания водорода.
Исходя из актуальности проблемы развития водородной энергетики и перспектив увеличения генерирующих мощностей на базе водородных паротурбинных энергоустановок, результаты выполненных работ можно сформулировать следующим образом:
1) Водородная парогенераторная турбоустановка может иметь КПД на уровне 0,7, в отличие от современных энергоустановок различного типа с КПД от 0,3-0,6. Таких высоких показателей можно достичь за счет следующих технических решений:
- использование высококалорийного водородного топлива, сжигаемого при оптимальном стехиометрическом соотношении компонентов;
- использование регенерации теплоты для снижения расхода топлива (кислорода и водорода) при охлаждении элементов парогенератора (камер сгорания и испарения) конденсатом перегретого пара с последующей его подачей в качестве балластиро-вочной воды;
- использования регенерации теплоты, полученной при охлаждении высокооборотного электрогенератора, для подогрева компонентов топлива;
- использование гидростатических подшипников скольжения в турбине и магнитных подшипников в турбогенераторе;
- использование высокооборотного турбогенератора, напрямую присоединенного к турбине, без механического редуктора;
- генерации пара перед турбиной с высокими параметрами: температурой до 1200 К и давлением около 7 МПа.
2) Важной особенностью разработанной энергоустановки является ее компактность, что позволя-
ет создавать на ее основе мобильные энергетические комплексы.
3) Использование в качестве топлива водорода и кислорода позволяет обеспечить полную экологическую чистоту установки.
4) Отличительной особенностью предложенного решения является организация процесса парообразования в проточном тракте камеры испарения при полном отсутствии кипения в тракте охлаждения камеры сгорания, что исключает прогары рабочих поверхностей и повышает эксплуатационную надежность установки.
5) Предложенные технические решения экспериментально подтверждены при испытании модельной водородной паротурбинной энергоустановки на стенде Испытательного комплекса ОАО КБХА.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», ГК №02.516.11.6121.
Литература
1. Водородо-кислородные парогенераторы для перспективной энергетики // Каталог инновационных разработок «Водородные технологии». - М.: НП «ЭНКО», 2007. - С.47-49.
2. S.P. Malyshenko, A.N. Gryaznov, N.I. Filatov. High-pressure H2/O2-steam generators and their possible applications. Int. Journ. Hydrogen Energy, 2004, V.29. № 6, p.589-596.
3. С.П.Малышенко, В.И.Пригожин, В.С.Рачук. Во-дородо-кислородные парогенераторы. Журнал «Современное машиностроение» 2-3(8-9) 2009г. - С. 54-59.
4. Водородные энергоустановки и инфраструктура экспериментальной базы ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» / В.С. Рачук, В.И. Пригожин // Материалы II Международного Форума «Водородные технологии для развивающегося мира». - М., 2008. - С.79-80.
Воронежский государственный технический университет
Открытое акционерное общество «Конструкторское Бюро Химавтоматики», г. Воронеж
EXPERIMENTAL STUDY OF OPERATION PROCESSES IN SUBSCALE HYDROGEN HIGH-TEMPERATURE STEAM-TURBINE PLANT V.A. Ilyichev, V.I. Prigozhin, A.R. Savich, I.G. Drozdov, A.A. Prigozhin
The paper describes design features of subscale hydrogen steam-turbine plant. The schematic of its connection to hot-fire test facility is given as well as the procedure of experiment performance. The experiment inaccuracy has been evaluated and the test result processing together with the description of charts of investigated operation processes are presented
Key words: power plant, turbine, hydrogen, steam-turbine plant
