      На правах рукописи
СЧАСТЛИВЦЕВ Алексей Иванович
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ Н2/О2-ПАРОГЕНЕРАТОРОВ
ДЛЯ ЭНЕРГЕТИКИ
Специальность 05.14.01 – Энергетические системы и комплексы
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенном институте высоких температур Российской академии наук.
Научный руководитель: Зав. лаб. «Водородных энергетических технологий» ОИВТ РАН, д.ф.-м.н., профессор
Малышенко Станислав Петрович
Официальные оппоненты: Зав. лаб. «Теплообмен в энергетических установках» ОИВТ РАН, д.т.н.,
профессор
Зейгарник Юрий Альбертович
Зам. зав. кафедрой МГТУ
им. Н.Э. Баумана «Газотурбинные и не традиционные энергоустановки, к.т.н., доцент
Бурцев Сергей Алексеевич
Ведущая организация: Национальный исследовательский
университет Московский
энергетический институт (НИУ МЭИ)
Защита состоится « » 2013 г. в ч. мин. на заседании Диссертационного совета Д 002.110.03 ОИВТ РАН по адресу: г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, актовый зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.
Ваш отзыв на автореферат в 2-х экз., заверенный печатью организации, просим выслать по адресу: 125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, ОИВТ РАН, ученому секретарю Диссертационного совета д.т.н. Директору Л.Б.
Телефон для справок: 8(916) 810-97-50.
Автореферат разослан « » 2013 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета
д.т.н. Л.Б. Директор
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2013
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Технология сжигания водорода в кислороде с целью получения высокотемпературного водяного пара, реализуемая в водородно-кислородных парогенераторах (Н2/О2-парогенераторах), позволяет создавать установки с высокой удельной мощностью и отсутствием вредных выбросов в процессе работы. Высокая скорость протекающих в них процессов (сгорание водорода, теплопередача, смешение компонентов и т.д.) обеспечивает минимальное время запуска и выхода на режим, что особенно важно в случае использования подобных технологий в качестве резервных источников энергии. Впервые идея создания Н2/О2-парогенератора была предложена для его применения в составе дополнительной аккумулирующей надстройки на электрической станции с целью производства пиковых мощностей и появилась в начале 80-х годов XX века в работах ОИВТ РАН и DLR [1-3].
Первые экспериментальные образцы Н2/О2-парогенераторов мегаваттного класса мощности были созданы в Германии (аэрокосмический центр DLR) и нашей стране (ОИВТ РАН, «Центр Келдыша», ОАО КБХА) к концу 90-х годов [4-5]. Этими же организациями были впервые созданы и испытаны агрегаты киловаттного класса мощности. Исследования процессов в Н2/О2-парогенераторах киловаттного класса впоследствии выполнялись в Японии по программе WE-NET [6] и ряде отечественных организаций. В настоящее время в исследованиях процессов в Н2/О2-парогенераторах мегаваттного класса мощности и создании энергоустановок с их использованием ОИВТ РАН и ОАО КБХА являются лидерами. Существенными отличиями Н2/О2-парогенераторов мегаваттного уровня мощности, созданными в России, от Н2/О2-парогенераторов DLR являются почти в 2 раза более высокое давление пара на выхлопе (до 8 МПа против 4,5 МПа у DLR) и организация турбулентного смешения и горения.
Дальнейшее развитие идей использования Н2/О2-парогенераторов привело к разработке на их основе водородных систем аккумулирования электроэнергии для централизованной энергетики, систем перегрева пара на ТЭС, АЭС и ГеоЭС с целью повышения их маневренности и эффективности, автономных систем аварийного пожаротушения и др. [7-9].
Одной из наиболее сложных проблем при разработке Н2/О2-парогенераторов является обеспечение высокой полноты сгорания водорода в кислороде при стехиометрическом соотношении компонентов, поскольку именно от этого показателя в наибольшей степени зависит его эффективность.
Высокие температуры процессов и тепловые потоки (до 20 МВт/м2) внутри Н2/О2-парогенератора требуют создания надежных конструкций камеры сгорания. Проблемы по их созданию также рассматриваются в данной работе.
Создание Н2/О2-парогенераторов различных классов мощности вызывает ряд фундаментальных научных и технических проблем, среди которых наиболее существенными являются сложность математического и физического моделирования процессов горения и смесеобразования внутри Н2/О2-парогенератора и отсутствие надежных методов анализа процессов на основе теории подобия при переходе от мегаваттного уровня мощности к киловаттному. В этой связи в данной работе рассматриваются два типа Н2/О2-парогенераторов – тепловой мощностью до 200 кВт и до 25 МВт. Результаты данной работы получены в ходе выполнения трех государственных контрактов в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 гг.».
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование процессов и разработка для энергетики основных элементов конструкции Н2/О2-парогенераторов высокого давления тепловой мощностью до 200 кВт и до 25 МВт, обеспечивающих высокую полноту сгорания водорода в кислороде (не менее 98%), надежное охлаждение наиболее теплонапряженных узлов, низкую неравномерность температур на выходе из камеры испарения. Для достижения вышеуказанной цели необходимо решение следующих основных задач:
разработка схемных решений по практическому использованию Н2/О2-парогенераторов в автономной и централизованной энергетике и проведение их термодинамического и технико-экономического анализа;
разработка и оптимизация основных узлов Н2/О2-парогенераторов тепловой мощностью до 200 кВт и до 25 МВт, с целью обеспечения высокой полноты сгорания водорода в кислороде (не менее 98%), надежного охлаждения наиболее теплонапряженных узлов, низкой неравномерности температур на выходе из камеры испарения;
проведение экспериментальных исследований тепловых процессов в Н2/О2-парогенераторах с целью оптимизации процессов горения и смесеобразования и обоснования правильности принимаемых конструктивных решений.
Научная новизна работы состоит в следующем:
выполнен сравнительный технико-экономический анализ технологий аккумулирования энергии для автономной и централизованной энергетики и определены условия, при которых водородное аккумулирование с использованием Н2/О2-парогенераторов может стать экономически приемлемым;
разработаны схемные решения по использованию Н2/О2-парогенераторов для ГеоЭС и АЭС и проведен их термодинамический и технико-экономический анализ. Показано, что использование водородного перегрева пара на электростанциях с влажнопаровыми турбинами приводит к увеличению КПД на 3…5 % и снижению стоимости производимой электроэнергии на 5…7 %;
впервые разработаны новые конструкции и созданы экспериментальные образцы смесительных элементов для Н2/О2-парогенератора высокого давления тепловой мощностью до 25 МВт. Проведен цикл испытаний модернизированного Н2/О2-парогенератора. Получены новые экспериментальные данные по составу пара при стехиометрическом горении компонентов с различными типами смесительных элементов. На основании результатов экспериментов обоснован выбор и реализована оптимальная конструкция смесительного элемента, обеспечивающая необходимую полноту сгорания компонентов и высокую тепловую устойчивость парогенератора. Результаты подтверждены длительными испытаниями изделия;
получены экспериментальные данные по температуре и давлению генерируемого пара для Н2/О2-парогенератора тепловой мощностью до 200 кВт с различными смесительными элементами, камерами сгорания и камерами испарения, а также экспериментальные данные многорежимных испытаний. На основе полученных данных проведена доработка конструкции камеры сгорания и камеры испарения для обеспечения большей надежности конструкции в целом и повышения полноты сгорания компонентов.
Достоверность представленных в диссертации теоретических данных определяется использованием общепризнанных фундаментальных законов и формул, взятых из известных научных работ, публикаций и монографий. Достоверность экспериментальных данных определяется использованием измерительных приборов, прошедших необходимую государственную аттестацию и предварительную поверку на контрольных стендах.
Практическое значение.
Полученные результаты могут быть использованы для создания опытных образцов Н2/О2-парогенераторов высокого давления различного уровня мощности, которые могут быть использованы для:
Создания водородных систем аккумулирования для централизованной и автономной энергетики;
Создания систем водородного перегрева пара, с целью повышения эффективности электростанций с паровыми турбинами;
Создания автономных экологически чистых энергоустановок;
Производства высокотемпературного пара для реализации процессов переработки углей, нефти, газа и биомассы.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 2-м международном конгрессе «2nd World congress of young scientists on hydrogen energy systems» (Турин, Италия, 2007), на 16-й и 17-й Школах-семинарах молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Россия, 2007, 2009), на 2-м международном форуме «Водородные технологии для развивающегося мира» (Москва, Россия, 2008), на 17, 18 и 19 международных конференциях «World Hydrogen Energy Conference (WHEC) (Брисбен, Австралия 2008, Эссен, Германия 2010, Торонто, Канада 2012), на юбилейной научной конференции, посвященной 50-летию ОИВТ РАН (Россия, 2011), на 2-м Российско-Тайваньском симпозиуме по водороду и технологиям применения топливных элементов (Москва, Россия, 2009), на 11-й международной конференции по чистой энергетике (ICCE-2011) (Тайчунг, Тайвань, 2011), на Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» (Москва, Россия, 2011), на 5-й Школе молодых ученых имени Э.Э. Шпильрайна «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов» (Махачкала, Россия, 2012), а также на научных семинарах ОИВТ РАН.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 20 работах, 3 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, получено 3 патента.
Личный вклад автора состоял в модернизации имеющихся экспериментальных установок, разработке новых конструктивных решений основных узлов, разработке схемных решений по использованию Н2/О2-парогенераторов в энергетике и проведении их термодинамического и технико-экономического анализа, проведении экспериментальных исследований тепловых процессов в Н2/О2-парогенераторах тепловой мощностью до 200 кВт и до 25 МВт, обработке и анализе экспериментальных данных, а также подготовке статей, патентов и докладов по теме исследования.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка литературы и трех приложенй. По объему работа содержит 156 страниц, включая 67 рисунков и 32 таблицы по тексту диссертации. Библиография имеет 79 наименований.
На защиту выносятся:
Результаты экспериментальных исследований тепловых процессов и их анализа в Н2/О2-парогенераторе тепловой мощностью до 25 МВт с различными смесительными элементами;
Новые конструкции смесительных элементов Н2/О2-парогенератора тепловой мощностью до 25 МВт, обеспечивающие повышение эффективности процессов генерации пара, и результаты их испытаний;
Результаты экспериментальных исследований тепловых процессов и их анализа в экспериментальном Н2/О2-парогенераторе тепловой мощностью до 200 кВт;
Результаты термодинамического и технико-экономического анализа схем с использованием Н2/О2-парогенераторов для осуществления перегрева пара на электростанциях с паровыми турбинами;
Результаты технико-экономического анализа схем с использованием Н2/О2-парогенераторов для создания водородных паротурбинных систем аккумулирования энергии.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении определены цели работы, ее актуальность, научная и практическая значимость решаемых задач, кратко описано содержание работы.
Первая глава носит обзорный характер. Рассмотрены теоретические и экспериментальные работы, посвященные исследованию полноты сгорания водорода в кислороде, а также влияние на нее конструктивных особенностей камеры сгорания водородно-кислородного парогенератора, геометрии смесительного элемента, «эффектов закалки» высокотемпературного потока. Рассмотрены потенциальные области применения Н2/О2-парогенераторов, схемы с их использованием и особенности их термодинамического расчета. В заключении первой главы сформулированы цели работы.
Во второй главе приведены схемы с использованием перегрева пара на АЭС и ГеоЭС и результаты их термодинамического и технико-экономического анализа ирезультаты сравнительного технико-экономического анализа технологий аккумулирования энергии.
Для повышения КПД ГеоЭС или АЭС, работающих по циклу Ренкина, в качестве пароперегревателя предложено использовать Н2/О2-парогенератор.
Проведен расчет для типовой ГеоЭС по методике, представленной в приложении 1 диссертации. Изменение КПД ГеоЭС в зависимости от относительной доли водяного пара из Н2/О2-парогенератора в общем объеме рабочего тела (α) представлено на рис.1.
Рис. 1 Изменение абсолютного КПД ГеоЭС в зависимости от α:
1 - КПД ГеоЭС с влажнопаровой турбиной без использования перегрева; 2 - КПД ГеоЭС при использовании турбины на перегретом паре, 3 - КПД ГеоЭС при использовании перегрева с влажнопаровой турбиной без учета затрат на электролиз; 4 - КПД ГеоЭС при использовании перегрева с влажнопаровой турбиной с учетом затрат на электролиз; 5 - КПД ГеоЭС при использовании перегрева без учета затрат на электролиз и при установке турбины на перегретый пар, 6 - КПД ГеоЭС при использовании перегрева с учетом затрат на электролиз и при установке турбины на перегретый пар
Из рис.1 видно, что при перегреве пара КПД влажнопаровой турбины незначительно возрастает (линия 3), что обусловлено в основном увеличением термического КПД цикла и снижением потерь из-за высокой влажности пара на выходе. Но с учетом затрат электроэнергии на производство водорода и кислорода общий КПД ГеоЭС снижается (линия 4). При установке на ГеоЭС турбины, работающей на перегретом паре, характер изменения КПД существенно изменяется. При значениях α близких к 0, когда влажность пара практически не изменяется, ее КПД оказывается ниже номинального для обеих типов турбин (линии 1 и 2), что обусловлено нерасчетным режимом работы (линия 5), однако при снижении влажности пара и выходе на расчетный режим работы он существенно возрастает с ростом α и может превысить КПД влажнопаровой турбины с учетом затрат электроэнергии на электролиз (линия 6) в области α от 0,001 до 0,011. При дальнейшем возрастании α затраты энергии на электролиз возрастают и общий КПД энергоустановки на перегретом паре становится меньше, чем КПД ГеоЭС с влажнопаровой турбиной (пересечение линии 6 с линией 1).
Таким образом, затраты произведенной электроэнергии на перегрев пара не могут компенсироваться ростом внутреннего КПД влажнопаровой геотермальной турбины и увеличением располагаемого теплоперепада, однако, при установке турбины на перегретый пар рост КПД энергоустановки при значениях α<0,011 может компенсировать затраты на электролиз и увеличивать общий КПД энергоустановки на 1…3 %, а при учете возможного повышения давления перед турбиной за счет модернизации или исключения сепаратора пара тонкой очистки и снижения давления в конденсаторе – на 3…5%.
Принцип повышения эффективности выработки электроэнергии на АЭС аналогичен рассмотренному выше для ГеоЭС с учетом особенностей турбоустановок АЭС (множество регенеративных подогревов, промежуточный перегрев перед ЦСД и т.д). Наши расчеты показывают, что незначительное повышение КПД АЭС (на 0,5...1 %) с учетом затрат на электролиз возможно только при замене влажнопаровой турбины на турбину на перегретом паре. Подобная модернизация электростанции для данных целей, с учетом капитальных затрат, нецелесообразна. Более оптимальным является вариант с использованием Н2/О2-парогенератора для сглаживания неравномерностей энергопотребления, повышения маневренности АЭС и создания аварийных систем пожаротушения.
По результатам расчетов изменения стоимости электроэнергии показано, что при незначительном добавлении высокотемпературного пара из Н2/О2-парогенератора (до 0,1…1,5 % от общего расхода пара) с температурой 2000 °С во влажный пар и при сглаживании неравномерности энергопотребления за счет аккумулирования, снижение стоимости вырабатываемой электроэнергии может достигать 5…7 % для ГеоЭС и 3…5 % для АЭС.
Во второй главе также проведено сравнение водородных систем аккумулирования на основе паротурбинных технологий (АВКУ – автономная водородно-кислородная установка, ПВКУ - присоединенная водородно-кислородная установка), топливных элементов (АТЭ – водородный аккумулятор на основе топливного элемента) с другими системами аккумулирования электроэнергии (ГАЭС - гидроаккумулирующие электростанции, ВАЭС - воздухо аккумулирующие электростанции, ВРА - ванадий-редокс аккумуляторы, НКА - никель-кадмиевые аккумуляторы). Основные технико-экономические характеристики приняты на основе наиболее надежных данных последнего времени [10-12] и дополнены из других наиболее надежных научных изданий. При расчете оценивалась стоимость хранения энергии, стоимость установленной мощности аккумулятора и стоимость аккумулирования энергии.
Для объекта централизованного энергоснабжения номинальной мощностью до 1000 МВт принята емкость системы хранения 600 МВт·ч при установленной мощности аккумулятора 100 МВт. Расчет стоимости аккумулирования электроэнергии показал, что стоимость аккумулирования для водородных систем аккумулирования на основе паротурбинных технологий на 15…20 % выше, чем для ГАЭС, но в то же время значительно ниже (в 2…4 раза) чем у электрохимических аккумуляторов. Наиболее низкой является стоимость аккумулирования для ВАЭС (1,41 руб/кВт·ч), но при условии наличия подходящего подземного хранилища, а при хранении в металлических емкостях она возрастает до 12,3 руб/кВт·ч. Для водородной системы аккумулирования на основе топливного элемента стоимость аккумулирования сравнима с электрохимическими аккумуляторами.
Для объектов автономного энергоснабжения номинальной мощностью до 100 кВт принята требуемая емкость системы хранения 550 кВт·ч, при установленной мощности аккумулятора 50 кВт. Результаты расчетов показывают, что наиболее эффективной системой и в этом случае является ВАЭС, но ее стоимость во многом зависит от наличия подходящих подземных хранилищ, а в случае хранения в металлических емкостях, снижается коэффициент рекуперации электроэнергии и увеличивается стоимость системы хранения, что существенно повышает стоимость вырабатываемой электроэнергии (до 6,65 руб/кВт·ч). Стоимость аккумулирования электроэнергии от АТЭ и электрохимических аккумуляторов в 2…3 раза выше стоимости от АВКУ, но следует отметить их широкую распространенность, безопасность в использовании, высокий коэффициент рекуперации. Однако, при дальнейшем развитии водородных систем аккумулирования на основе паротурбинных технологий, повышении их надежности, эффективности и безопасности они могут стать одним из лучших способов аккумулирования энергии.
В третьей главе представлены результаты испытаний Н2/О2-парогенератора высокого давления тепловой мощностью до 25 МВт. Приводится описание экспериментального стенда, системы топливообеспечения и управления, конструкции модернизированных основных узлов, результаты экспериментального изучения полноты сгорания водорода в кислороде с использованием различных смесительных элементов (СЭ), а также результаты изучения тепловых процессов в камере сгорания и камере испарения.
Одной из основных задач при создании Н2/О2-парогенератора высокого давления тепловой мощностью до 25 МВт (рис. 2) является обеспечение максимально возможной полноты сгорания водорода в кислороде при стехиометрической подаче компонентов.
Рис. 2. Н2/О2-парогенератор высокого давления тепловой мощностью до 25 МВт
на экспериментальном стенде
Для экспериментальных исследований этих проблем разработаны несколько конструкций СЭ. Первый вариант СЭ со струйными форсунками водорода и кислорода обеспечивал эффективное смешение водорода и кислорода в камере сгорания, но при этом, из-за большого угла наклона струй водорода равного 30° возникало образование обратных вихрей высокотемпературных продуктов и попадание их на огневое дно СЭ, что приводило к его оплавлению. Во втором варианте конструкции СЭ углы наклона струй водорода были уменьшены до 15°, что позволило отдалить зону горения и снизить тепловые потоки на огневое дно, но тем не менее возникновение обратных вихрей высокотемпературных продуктов реакции приводило к сильному разогреву огневого дна. В третьем варианте конструкции СЭ для защиты от обратных вихрей высокотемпературных продуктов реакции на огневом дне были выполнены дополнительные форсунки для подачи водорода. В результате тепловое воздействие на него стало удовлетворительным, что позволило предотвратить возникновение каких-либо повреждений конструкции при длительных испытаниях до 300 с.
Следует отметить, что изменение угла наклона струй водорода не привело к существенному изменению полноты сгорания. В четвертом варианте СЭ форсунки водорода и кислорода были выполнены соосноструйными, что позволило также существенно снизить тепловое воздействие на огневое дно. Однако, в этом случае следует отметить снижение полноты сгорания водорода.
На рис. 3 представлены основные результаты экспериментальных исследований эффективности генерации пара в Н2/О2 – парогенераторах высокого давления тепловой мощностью до 25 МВт с различными типами смесительных элементов при различных коэффициентах избытка окислителя по результатам настоящей работы и ранее полученным данным.
Рис. 3 Зависимость температуры пара от массовой доли воды при различных
коэффициентах избытка окислителя (gH2O – массовая доля охлаждающей воды
в суммарном расходе пара на выхлопе из Н2/О2-парогенератора)
Из данных рис. 3 можно сделать выводы о допустимых отклонениях состава компонентов на входе в камеру сгорания парогенератора для обеспечения его высокой термодинамической эффективности. Коэффициент избытка окислителя должен находиться в интервале 1,05>α>0,93 при gH2O ≈0,7. При этих условиях параметры генерируемого пара близки к равновесным термодинамическим и суммарная концентрация недогоревших неконденсирующихся газов в паре не превышает 2 % (об.).
Результаты испытаний Н2/О2-парогенераторов с различными типами СЭ показали, что наиболее эффективными являются смесительные элементы со струйными форсунками с дополнительными форсунками водорода с пересекающимися струями под углом 15°, обеспечивающие оптимальное расположение и протяженность зоны активного смешения и горения в КС и создание восстановительной среды вблизи огневой стенки.
Общие данные для сравнения исследованных типов СЭ представлены в таблице. Для всех типов СЭ температура продуктов сгорания на выхлопе в камеру испарения составляет более 3500 К. Снижение температуры пара в камере испарения осуществляется в основном за счет смешения с распыленными в потоке каплями воды и их испарения. При температуре пара менее 1900 К его равновесный состав соответствует 100 % Н2О. Равновесный идеальный процесс, однако, не реализуется на практике и конечный состав пара на выхлопе парогенератора содержит некоторое количество неконденсирующихся газов, зависящее от скорости снижения температуры продуктов сгорания в камере испарения, которая имеет порядок 105 К/с. Характерные времена релаксации состава в смесителе Н2/О2/Н2О при высоких температурах составляют 10-6 с, но при Т<2000 К вырастают (скорость реакции снижается) и могут создаваться условия «закалки» состава.
Сравнение исследованных типов смесительных элементов
Тип смесительного элемента
|
СЭ со струйными форсунками с
пересекающимися струями под углом 30°
|
СЭ со струйными форсунками с
пересекающимися струями под углом 15°
|
СЭ с соосноструйными форсунками
|
СЭ со струйными форсунками с
дополнительными форсунками
водорода
|
Объемное содержание водорода, %
|
0,37 (теор.)
|
0,27 (эксп.)
|
3,17 (эксп.)
|
0,37 (эксп.)
|
Объемное содержание кислорода, %
|
1,28 (теор.)
|
1,07 (эксп.)
|
1,83 (эксп.)
|
1,25 (эксп.)
|
На рис. 4 представлено изменение параметров пара в Н2/О2 – парогенераторе при длительных испытаниях. Скачок температуры с 31 по 55 секунды обусловлен особенностью работы системы управления, при дальнейших испытаниях этот недостаток был исключен. В целом, парогенератор продемонстрировал стабильную работу при длительных испытаниях, а при осмотре материальной части после его разборки дефектов конструкции не выявлено.
Рис. 4. Изменение параметров пара в Н2/О2-парогенераторе при длительных
испытаниях
Основными отличительными характеристиками Н2/О2-парогенератора тепловой мощностью до 25 МВт являются: 1) высокая температура генерируемого пара (до 1700 К); 2) высокое давление генерируемого пара (до 8 МПа); 3) минимальное время выхода на режим номинальной мощности (менее 10 с); 4) высокий КПД (до 99,5 %); 5) высокая удельная мощность (до 400…600 кВт/кг). Обладая такими параметрами, подобная установка может использоваться для решения ряда задач, таких как обеспечение перегрева пара в паротурбинных энергоустановках и повышение их маневренности, в качестве аварийных и резервных источников мощности, создание автономных паротурбинных энергоустановок со сверхкритическими параметрами пара и т.д.
В результате выполненных исследований процессов и испытаний впервые создана работоспособная и эффективная конструкция Н2/О2-парогенератора тепловой мощностью до 25 МВт на давления до 8 МПа.
Четвертая глава содержит основные результаты испытаний Н2/О2-парогенератора тепловой мощностью до 200 кВт. Приводится описание экспериментальной установки, системы управления и результаты предварительного и основного циклов испытаний.
При переходе с мегаваттного уровня мощности на киловаттный для малой автономной энергетики требуется учитывать следующие особенности:
В установках киловаттного уровня мощности существенно возрастают удельные тепловые нагрузки на стенки КС и ограничен расход воды, подаваемой на охлаждение камеры сгорания (КС). Для повышения тепловой эффективности Н2/О2-парогенератора и его камеры сгорания вода, поступающая на охлаждение внутренней стенки КС используется в дальнейшем для снижения температуры продуктов сгорания с 3300…3700 К до 800…1500 К, необходимой для потребителя. В результате общие тепловые потери при работе Н2/О2-парогенератора на основном режиме не превышают 0,1…0,3 %. Однако, при реализации такой схемы охлаждения КС, возникает жесткое ограничение на расход охлаждающей воды при работе Н2/О2-парогенератора на частичных режимах;
Пар на выходе из Н2/О2-парогенератора должен иметь неравномерность температур не более 15…25 К. Для обеспечения равномерной температуры генерируемого пара необходимо обеспечить интенсивное смешение охлаждающей воды с продуктами сгорания. В частности это может быть достигнуто за счет использования резкого расширения продуктов сгорания в камере испарения. В этом случае необходимо разработать такую компоновку камеры испарения, которая обеспечит выполнение заданных условий.
В ходе разработки Н2/О2-парогенератора тепловой мощностью до 200 кВт проведены его испытания с 2 типами смесительных элементов с соосноструйными форсунками и с форсунками, обеспечивающими наклон струй водорода к струе кислорода под углом 15°. В ходе испытаний, выяснено, что в первом случае обеспечивается более надежная защита внутренней стенки камеры сгорания от тепловых потоков, а во втором случае более высокая полнота сгорания водорода в кислороде. Следует отметить, что сильное влияние на полноту сгорания водорода оказывает давление в камере сгорания и камере испарения. Поэтому была разработана камера испарения с изменяемым соплом на выходе и проведены испытания Н2/О2-парогенератора при давлении от 0,7 до 2,5 МПа. Исследования показали, что при увеличении давления в 1,5…2 раза происходит снижение количества недогоревшего водорода более чем в 4 раза (до 1,6…1,8 %).
В ходе дальнейших исследований были проведены многорежимные испытания Н2/О2-парогенератора тепловой мощностью до 200 кВт. Для этого была разработана автоматическая система управления, обеспечивающая работу установки на заданных режимах, вместе с этим проводилось изучение неравномерности поля температур в камере испарения. Для проведения испытаний использовались 2 типа камер испарения: с резким расширением потока и без резкого расширения потока. В первом варианте неравномерность потока оказалась на 40…70 К ниже, поэтому он был использован для проведения дальнейших исследований. На рис. 5 представлено изменения температуры пара на выхлопе из камеры испарения во время одного из многорежимных испытаний. Из рисунка видно, что характерные времена перехода с режима на режим не превышают 10 секунд, что вполне соответствует требованиям при создании автономных энергоустановок на основе ВИЭ и минитурбин.
Рис. 5. Температура пара в камере испарения Н2/О2-парогенератора тепловой
мощностью до 200 кВт во время многорежимного испытания
На рис.6 приведены обобщенные результаты проведенных экспериментальных исследований, где представлена зависимость температуры пара от массовой доли воды при различных коэффициентах избытка окислителя.
Рис. 6. Зависимость температуры пара от массовой доли воды при различных коэффициентах избытка окислителя: о – при давлении в КС до 1,5 МПа, х – при давлении в КС до 2,5 МПа
В приложениях приведены: приложение 1 - Методика анализа изменения КПД геотермальной установки и стоимости произведенной электроэнергии при водородно-кислородном перегреве, приложение 2 - методика расчета процессов в камере сгорания водородно-кислородного парогенератора модели ВКПГ-25М, приложение 3 - результаты 2-го этапа испытаний ВКПГ-200К, результаты испытаний ВКПГ-200К с автоматической системой управления, результаты испытаний по исследование неравномерности поля температур в камере испарения.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Выполнен сравнительный технико-экономический анализ технологий аккумулирования энергии, который показал, что водородные системы аккумулирования с Н2/О2-парогенераторами могут быть конкурентоспособными по сравнению с традиционными системами аккумулирования. Стоимость вырабатываемой на них электроэнергии может быть существенно ниже чем у электрохимических аккумуляторов и сравнима со стоимостью электроэнергии вырабатываемой на ГАЭС и ВАЭС;
Разработаны схемные решения по использованию Н2/О2-парогенераторов для ГеоЭС и АЭС и проведен их термодинамический и технико-экономический анализ. Показано, что использование водородного перегрева пара на ЭС с влажнопаровыми турбинами приводит к увеличению КПД на 3…5 % и снижению стоимости производимой электроэнергии на 5…7 %;
Разработаны новые конструкции, созданы и испытаны экспериментальные образцы смесительных элементов для Н2/О2-парогенератора тепловой мощностью до 25 МВт. Выполнены экспериментальные исследования эффективности смесеобразования и сгорания водорода в кислороде, получены новые экспериментальные данные по составу пара, при стехиометрическом горении компонентов с различными типами смесительных элементов. Осуществлен выбор оптимальной конструкции смесительного элемента, обеспечивающей требуемую полноту сгорания компонентов и высокую тепловую устойчивость;
Созданы экспериментальные образцы Н2/О2-парогенераторов тепловой мощностью до 200 кВт и выполнен цикл исследований процессов генерации пара, в результате которых показана возможность их использования при создании автономных водородных систем аккумулирования энергии киловаттного класса мощности;
Получены экспериментальные данные по температуре и давлению для Н2/О2-парогенератора тепловой мощностью до 200 кВт с различными смесительными элементами, камерами сгорания и камерами испарения, а также экспериментальные данные многорежимных испытаний. В результате полученных данных проведена доработка конструкции камеры сгорания и камеры испарения, для повышения полноты сгорания компонентов и обеспечения большей надежности конструкции в целом.
|
