Размещено на http://www.allbest.ru/

Доклад

на тему: Пылеугольные конденсационные энергоблоки мощностью 660-800 мвт на суперкритические параметры пара (до 29,4 МПа, 600-620 °С) с КПД 43-46 %

Выполнил:

А.Г. Тумановский

Аннотация

В докладе приведены материалы по проектной проработке энергоблока мощностью 660 МВт с параметрами пара до 29,4 МПа, 600°С/600-620°С на кузнецком каменном угле марок Г и Д по котлу, турбине, тепловой схеме, металлам и другим аспектам сооружения такого блока, которые легли в основу разработки Федеральной целевой программы «Создание угольного энергоблока мощностью 660 МВт на суперкритические параметры пара на 2010-2015 годы».

В 2007--2008 г.г. при финансировании РАО «ЕЭС России» ВТИ, ЦКТИ и ЦНИИТМАШ совместно с энергомашиностроительными компаниями ОАО «ЭМ Альянс» и ОАО «Силовые машины» была выполнена предпроектная проработка энергоблока мощностью 660 МВт с параметрами пара до 29,4 МПа, 600/600-620 °С на кузнецких каменных углях наиболее перспективных марок Г и Д.

Существующие в стране материалы позволяют создавать отечественные блоки на такие параметры с КПД блока около 45 %. Увеличение КПД по сравнению с действующими угольными энергоблоками на стандартные сверхкритические параметры пара определяется не только повышением его давления и температуры (повышение параметров пара с 25 МПа, 545/545 °С до 29 МПа, 600/600 °С увеличивает КПД блоков приблизительно на 3 % аба), но и совершенствованием основного и вспомогательного оборудования (в первую очередь, котельной и турбинной установок) и тепловой схемы блоков.

Котел

Паровой котел, разработанный ОАО «ЭМ Альянс» и ОАО «ВТИ», выполнен однокорпусным с башенной компоновкой поверхностей нагрева и подвешивается через промежуточные металлоконструкции (хребтовые и межхребтовые балки) к совмещённому каркасу котла и здания. Выбор профиля котла сделан на основании сравнительного анализа башенной, полубашенной, П- и Т-образной компоновок, выполненного ОАО «ЭМ Альянс», и результатов, полученных немецкими специалистами при проработке энергоблока 600 МВт. После проведения технико-экономического анализа предпочтение отдано башенной компоновке. Такие котлы различной паропроизводительности (вплоть до 1000 МВт в одном корпусе), работающие на разных углях, широко используются во всем мире.

Котёл однокорпусный, с однократным промежуточным перегревом по двухбайпасной пусковой схеме, газоплотным ограждением (экранированием) топки и конвективного подъёмного газохода из цельносварных панелей, с уравновешенной тягой рассчитан на пуск, а также работу с пониженными нагрузками на скользящем давлении пара во всём тракте.

Для подготовки топлива к сжиганию применена система пылеприготовления с прямым вдуванием пыли в топку и отечественными валковыми средне-ходными мельницами (МВС), имеющими небольшие эксплуатационные расходы. Все оборудование системы пылеприготовления рассчитано на давление взрыва 0,35 МПа.

Топочное устройство котла - тангенциальная топка с угловым трёхярусным расположением горелок - обеспечивает более равномерное распределение температур и тепловых потоков в топочной камере, что способствует повышению устойчивости горения и надёжности её экранов, экономичную, устойчивую, бесшлаковочную работу с пониженным образованием оксидов азота. Топочная камера с твёрдым шлакоудалением, квадратного сечения, оборудована 12 блоками спаренных пылеугольных горизонтально-щелевых горелок с чередующейся подачей пылевзвеси и вторичного воздуха

Для минимизации образования оксидов азота организуется трёхступенчатое сжигание (пылеуголь-ный «ребёнинг»), когда в горелки подается только 80 % топлива с тонкостью помола R90 ~ 15 %, остальное - мелкофракционная пыль в количестве ~20 % - в расположенные выше зоны активного горения сопла дополнительного топлива.

Ожидается, что перечисленные мероприятия позволят получить концентрацию НПЧ на выходе из топки не выше 400 мг/м3.

Численное моделирование аэродинамики, горения, тепломассообмена и образования оксидов азота в топочной камере котла показало, что в топке формируется устойчивая вихревая картина течения без явных набросов факела на экраны, и подтвердило эффективность основных технических решений.

Экраны топки выполнены из вертикальных газоплотных панелей с подъёмным движением среды и рассчитаны на обеспечение пусков и разгрузок котла на скользящем давлении во всём пароводяном тракте. Такой тип экранирования имеет ряд преимуществ по сравнению с часто применяемой за рубежом спиральной навивкой оребрённых труб:

-- благодаря меньшей массовой скорости среды меньше потери давления, что обусловливает сокращение расходов на собственные нужды;

-- более простая структура вертикальных панелей упрощает их подвеску, повышая надёжность их работы и облегчая при необходимости ремонт и замену; угольный энергоблок суперкритический пар

-- зола и шлак хуже удерживаются на вертикальных панелях и сами спадают вниз;

-- поскольку гидравлические потери трения при течении среды в вертикальных трубах невелики по сравнению с общими потерями давления, разбежки расхода среды по отдельным трубам незначительны, что способствует более равномерному гидродинамическому режиму котла особенно при частичных нагрузках.

На каждую из двух ниток пароводяного тракта котла установлены два пусковых сепаратора с верхним выходом пара и нижним отводом воды в сливные коллекторы, что при пусках обеспечит предотвращение заброса влаги в пароперегревательные поверхности нагрева, выполненные из высоколегированных марок стали, и тем самым исключение снижающих надёжность теплосмен. Кроме того, это даёт возможность путём измерения уровня воды в сливных коллекторах и использования его в качестве импульса для регулирования сброса воды автоматизировать пусковые режимы. Такие пусковые сепараторы впервые установлены на котле П-50Р энергоблока СКД мощностью 330 МВт Каширской ГРЭС.

Над топкой в подъемном газоходе по ходу газов размещены перегреватели первичного и вторичного пара и водяной экономайзер. Для уменьшения высоты котла в конвективных поверхностях нагрева применены «тесные» пучки труб с крутыми гибами.

Для выбора материала труб 032x6 основных элементов экранных и пароперегревательных поверхностей нагрева сделана оценка температур на выходе из разверенных труб при номинальной нагрузке котла, а также проведен расчет температур наружной стенки разверенных труб экранов, ширм и выходной ступени конвективного пароперегревателя.

На основании полученных данных в качестве материала для трубы выходной ступени конвективного пароперегревателя КПП-5, а также выходной ступени пароперегревателя вторичного пара КВП-3 признано целесообразным принять отечественную сталь ЭП-184, которая в течение длительного времени успешно применялась на котле 60-ОП, а для труб ширм ШПП-3 и всех остальных перегревательных поверхностей как тракта высокого давления, так и тракта промперегрева -- также отечественную сталь Ди-59.

Срок службы котла -- 40 лет. Расчетный ресурс для труб и выходных камер пароперегревателей - 100 тыс. ч, для остальных работающих под давлением элементов котла с расчетной температурой, соответствующей области ползучести, -- 200 тыс. ч.

Турбина

При разработке технических решений по конструкции паровой турбины предполагается использование самых последних достижений отечественного и зарубежного паротурбостроения:

-- трёхмерного проектирования проточных частей;

-- жидкометаллических уплотнений штоков клапанов;

-- системы охлаждения РСД;

-- сотовых уплотнений в проточной части турбины;

-- радиально-осевых паровпусков ЦВД и ЦСД с тангенциальным вводом пара;

-- реактивного облопачивания ЦВД и ЦСД;

-- «горшковых» и безразъёмных конструкций ЦВД;

-- усовершенствованых выхлопных патрубков ЦНД.

Рекордные значения внутреннего КПД ЦВД (94,2 %) и ЦСД (96,1 %) получены на блоке мощностью 907 МВт ТЭС Боксберг (Германия). К этим значениям и предполагается стремиться.

Наиболее экономичной конструктивной схемой является схема со встречным направлением однопоточных ЦВД и ЦСД без уравновешивания осевого усилия в каждом цилиндре. В принципе, на ЛМЗ имеется положительный опыт работы лопатки последней ступени ЦСД высотой 600 мм в турбине К-1200-240, т.е. ЛМЗ может изготавливать турбины мощностью до 660 МВт с однопоточным ЦСД. Другим достоинством этой схемы является укорочение труб свежего пара, хотя эта схема требует проработки вопроса отказа от удержания нагрузки собственных нужд после сброса полной нагрузки.

Подвод свежего пара в ЦВД предусматривается четырьмя паропроводами, на каждом из которых установлен «свой» стопорный и регулирующий клапаны. Последние профилируются исходя из потерь давления в них не более 2 % давления свежего пара. Уплотнение штоков принимается жидкометаллическое, обеспечивающее отсутствие утечек вдоль штоков, парораспределение - дроссельное. На номинальном режиме все клапаны полностью открыты. Ввод пара осуществляется с закруткой потока по направлению вращения ротора в единую паро-сборную камеру без сопловых коробок. Паровпуски расположены радиально под углом 45 ° к горизонтальной плоскости. Такая конструкция при большой разности температур внутреннего и наружного корпусов ЦВД обеспечивает независимость их тепловых расширений.

Первая ступень - радиально-осевая, что сокращает осевые размеры цилиндра и обусловливает увеличение ее КПД на 1-2 % (за счёт выравнивания поля скоростей перед сопловой решёткой).

Предлагаемая проточная часть ЦНД с использованием применяемых ЛМЗ лопаток 1200 и 1000 мм имеет наилучшие экономические показатели из всех рассматривавшихся вариантов. По сравнению с прототипом К-1200-240 экономичность ЦНД улучшена за счёт перераспределения тепловых перепадов по ступеням, применения плавного конического меридионального корневого обвода и оптимизации профиля выхлопных частей. С учетом потерь от влажности и в выхлопных патрубках КПД ЦНД может быть доведен до 85 %. При глубоком вакууме порядка 3,5 кПа (среднегодовая температура циркводы 12 °С) предпочтительнее применение лопатки последней ступени 1200 мм. При среднегодовой температуре циркводы 17 °С (вакуум ~ 4,2 кПа) предпочтительней применение лопатки 1000 мм.

Паровая турбина, разработанная ОАО «Силовые машины» состоит из однопоточных ЦВД и ЦСД и двух двухпоточных ЦНД, расположенных на одном валу с генератором. Свежий пар через группу стопорных и регулирующих клапанов поступает в ЦВД, после чего пар с давлением 50,0-76 кгс/см2 направляется в промежуточный перегреватель парового котла. После промперегревателя пар направляется через стопорные и регулирующие клапаны в ЦСД.

Направление потока пара в ЦВД и ЦСД противоположное. Уравновешивание суммарного осевого усилия всех валов происходит в каждом цилиндре. Рассматривались два варианта разделительного давления (давления пара промежуточного перегрева) 5,0 МПа и 7,0-7,5 МПа.

Тепловая схема блока

При разработке технических решений по тепловой схеме блока были приняты самые современные решения:

-- двухподъёмная схема питательной воды;

-- пластинчатые подогреватели сетевой воды;

-- смешивающие подогреватели низкого давления ПНД-1 иПНД-2;

-- пониженные потери давления в паропроводах свежего и вторично перегретого пара, трубопроводов отбора пара на регенеративные подогреватели.

Турбоустановка имеет девять регенеративных отборов пара: два - из ЦВД, четыре - из ЦСД и три -из ЦНД, предназначенных для подогрева питательной воды в 5-ти ПНД, деаэраторе и трех ПВД.

При выборе оптимальной температуры питательной воды учитывается вид сжигаемого топлива, конструкция хвостовых поверхностей котла и проводится обязательный совместный расчет тепловых схем котла и турбины. Предполагаемые экономические показатели блока СКП: КПД турбоустановки -- 46 %, КПД котла -- 94 %, КПД блока --45 %.

Металл

Одной из основных проблем при создании блока является выбор металла для наиболее ответственных узлов. Первые отечественные разработки СКП-блоков (блок СКР-100 на Каширской ГРЭС) были ориентированы на существенно более стационарные режимы работы с расчетным ресурсом 100 тыс. ч. В новых проектах предъявляются более жесткие требования к ресурсу, маневренности и максимальной унификации материалов и технических требований относительно существующих зарубежных аналогов. В то время были определены наиболее перспективные материалы из числа уже освоенных отечественной промышленностью. Этот шаг был оправдан тем, что ведет к сокращению времени отработки всей технологической цепи, представляющей сложный многоступенчатый процесс: созданию технологии изготовления, специальной выплавки, легирования, формоизменения и термообработки. Так, из уже имеющихся сталей наиболее перспективными были признаны следующие: ЭИ-756 -- для изготовления паропроводов, 15Х11МФБЛ -- для литых корпусных деталей и 15Х11МНАФБ, являющаяся модификацией стали ЭП-291 --для изготовления роторов. К сожалению, детали из этих сталей не эксплуатировались при тех высоких температурах и напряжениях, которые неизбежно возникнут при работе в условиях нового блока. Поэтому почти наверняка потребуется доработка состава имеющихся материалов и усовершенствование технологий изготовления изделий для получения оптимального сочетания свойств сталей.

С целью максимальной унификации с зарубежными материалами в настоящее время проводится разработка и новых материалов. Среди последних разработок высокохромистых сталей необходимо отметить паропроводные стали 10Х9МФБ-Ш (Ди-82) и 10Х9В2МФБР-Ш, а также материал 12Х10М1В1ФБР для изготовления ротора и 10X11К4ВМФБР-Ш -- для корпусных деталей. Все указанные марки стали разработаны ФГУП ГНЦ «ЦНИИТМАШ». При разработке стали 10Х9В2МФБР-Ш за основу были взяты отечественные стали марок ЭИ-756, 10Х9МФБ и зарубежные Е911 и Р92. Основными легирующими элементами стали хром, молибден, вольфрам, ниобий. При этом сталь была еще микролегирована азотом, бором и церием и сильно ограничена по цветным примесям (алюминий, олово, свинец, мышьяк). Для стали 10Х9МФБ-Ш, являющейся аналогом европейской стали Р91, определены служебные характеристики, она утверждена Ростехнадзором России для применения в качестве поверхностей нагрева и паропроводов 1 категории. Стали 10Х9В2МФБР-Ш и 12Х10М1В1ФБР на сегодняшний день выплавлялись лишь в виде опытных плавок.

Для оценки возможности применения новых феррито-мартенситных сталей для изготовления основных толстостенных высокотемпературных элементов в ВТИ был проведен ряд комплексных работ по определению уровня служебных свойств указанных материалов. Проведенные испытания высокохромистых сталей позволили оценить уровень кратковременных механических свойств при комнатной и повышенной температурах, оценить уровень ударной вязкости и величину критической температуры хрупкости. Длительные высокотемпературные испытания позволили определить уровень жаропрочности материалов, кинетику накопления микроповрежденности, а также изменения структуры, свойств и фазового состава в процессе термомеханического старения. Кроме того, проведенное исследование жаростойкости позволило оценить температурные границы применимости материалов.

Для внедрения энергоблоков на суперкритические параметры пара разрабатывается концепция проектирования и расчета водоподготовительных и блочных обессоливающих установок, которая позволит обрабатывать воду в соответствии с повышенными требованиями, которые соответствуют нормам качества обессоленной воды передовых зарубежных стран.

Для АСУ ТП энергоблоков на суперкритические параметры пара должны быть использованы разработанные отечественные технические решения с учетом их особенностей как объекта управления.

Принятые при проработке блока технические решения, включая принципиальные схемы, технологии и конструкцию оборудования, могут быть использованы при разработке конкретных проектов пылеугольных энергоблоков нового поколения разной мощности на давление до 30 МПа и температуру до 610/620 °С. Первоочередные задачи - определение площадки для установки головного энергоблока и разработка базового проекта блока СКП.

Для создания современного экономичного удовлетворяющего всем экологическим требованиям пилотного отечественного пылеугольного энергоблока на суперкритические параметры пара необходимы консолидация усилий энергокомпаний, производителей энергетического оборудования и научно-исследовательских институтов, серьёзная организационная и финансовая поддержка государства.

В настоящее время разрабатывается Федеральная целевая программа «Создание угольного энергоблока мощностью 660 МВт на суперкритические параметры пара на 2010-2015 годы», основными целями которой являются создание и освоение перспективного угольного энергоблока нового поколения с использованием научно-технического потенциала и развития энергомашиностроительного и электроэнергетического комплексов промышленности Российской Федерации.

Создание перспективного отечественного энергоблока, отечественное производство оборудования для него и замещения им импорта зарубежного оборудования избавят страну от финансовых потерь и создадут условия для дальнейшего развития отечественной науки и техники, технологий производства наукоемкой продукции и энергетического машиностроения в целом. С учётом опыта освоения пилотного отечественного пылеугольного энергоблока на суперкритические параметры пара будет разработан унифицированный ряд оборудования для новых высокоэффективных энергоблоков мощностью 660, 800 и 1000 МВт. Это по оценкам специалистов позволит сократить сроки изготовления энергетического оборудования на ~30 %, а его стоимость - на ~20 %.

Размещено на Allbest.ru