Создание энергоблоков на ультрасверхкритические параметры пара

По состоянию на 2014 г. в России находятся в эксплуатации 116 угольных ТЭС, количество установленных наиболее крупных блоков представлено в табл. 1.1 [2].
Таблица 1.1 – Количество установленных наиболее крупных энергоблоков
Большинство из них проработало 35-40 лет и имеет невысокие показатели надежности и эффективности (электрический КПД блоков -30-36%), низкий уровень автоматизации, высокие выбросы NOx, SO2 , твердых частиц, на многих станциях существуют проблемы с золоотвалами.
По данным Международного энергетического агентства (МЭА) почти 70% угольных ТЭС России функционирует на докритических параметрах пара

Стратегические задачи:
разработка современных энергоэффективных экологически чистых технологий;
создание промышленного производства энергооборудования нового поколения;
повышение эффективности тепловых электростанций путем вывода из эксплуатации старого низкоэкономичного оборудования и замена его перспективным, обеспечивающим:
радикальное снижение затрат на производство электроэнергии и тепла;
снижение расхода топлива и штатного коэффициента;
уменьшение выбросов в окружающую среду;
уменьшение ремонтных затрат.

Мероприятия по повышению экономичности паросиловых энергоблоков и степень их влияния
По расчётным оценкам фирмы Siemens, переход от энергоблоков докритических параметров пара 167 бар, 538/538 ºС к энергоблокам СКД с параметрами пара 250 бар, 540/540 ºС даёт повышение коэффициента полезного действия (КПД) нетто на 1.5%; дальнейшее повышение параметров до 270 бар, 580/600 ºС обеспечивает повышение КПД ещё на 1.3%, и последующий переход на параметры пара 285 бар, 600/620 ºС сулит прибавку КПД ещё на 0.6%.
Сопоставление экономичности энергоблоков докритического и сверхкритического давления

Технико-экономические показатели разных типов ТЭС
Главным стимулом для перехода к сверхкритическим и супер-сверхкритическим параметрам пара явилось удорожание угольного топлива и новые требования к снижению выбросов токсичных (NOx и SO2) и парниковых (СO2) газов в атмосферу. Повышение КПД энергоблоков снижает расход топлива при выработке того же количества электроэнергии, а следовательно, уменьшает количество выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания.

График зависимости удельных выбросов СО2 от КПД нетто блока

Эволюция параметров паросиловых электростанций

Принципиальная тепловая схема первого энергоблока суперкритических параметров Эддистоун (США) 1959 г.
Мощностью 325 МВт при расходе пара 252,2 кг/с.
Параметры свежего пара : р0=34,62 МПа (353 ата); tо = 649 оС.
Двукратный промежуточный перегрев до tпп1=565 оС (Pп.п1=6,92 МПа) и tпп2=565 оС (Pп.п1=1,74 МПа) [35].
Турбоустановка состоит из двух турбин мощностью 149,5 и 175,5 МВт. С выхлопа первой турбины пар с давлением 1,74 МПа поступает на второй промежуточной перегрев и затем во вторую турбину.

В 1966 г. на Каширской ГРЭС началась опытно-промышленная экс­плуатация паровой турбины СКР-100-300, построенной ХТЗ на начальные параметры 29,4 МПа, 650 °С с противодавлением 3,03 МПа. В течение ряда лет отечественная теплоэнергетика получала уникальный опыт работы на ССКП.
Тепловая схема энергоблока Каширской ГРЭС на базе турбина СКР-100-300
Наработка энергоблока СКР-100 с котлом П-37 паропроизводительностью 720 т/ч с параметрами острого пара 30 МПа и 650 С, эксплуатировавшегося на Каширской ГРЭС до 1986 г., составила 42000 ч (после выработки ресурса турбиной среднего давления эксплуатация энергоблока не возобновлялась).

Результаты расчета энергоблока с однократным промперегревом
Результаты расчета энергоблока с двуктратным промперегревом

Основные показатели проектируемого энергоблока 660 МВт

Экономическая целесообразность сооружения разных блоков на параметры
35 МПа, 700/720 С
1 - блок 400 МВт с однократным промперегревом»; 2 – блок 400 МВт с двойным промперегревом; 3 – блок 930 МВт с однократным перегревом; 4 – блок 930 МВт с двойным промперегревом; 5 - максимальная стоимость угля в Западной Европе к 2020 г.; 6 – средняя цена за уголь в Западной Европе в 2007 г.; 7- минимальная цена за уголь в Западной Европе к 2020 г.; I – экономически целесообразно; II – экономически нецелесообразно

Характеристики блока 850 МВт на УСКП параметры пара

В Европе по программе «Therme» ведутся работы по материалам и конструкциям блока с температурой пара до 700°С, в США действует программа A-USC (УСКП) для достижения на пылеугольных блоках температуры пара 760°С.
Первый в мире котел на суперкритические параметры пара 29,4 МПа и 600 ° С, изготовленный «Подольским машиностроительным заводом» (ОАО “ЗиО”), был пущен в России на ТЭЦ ВТИ в ноябре 1949 г.
Котел ПК-37

Испытательная часть перегревательных поверхностей котла башенного типа для электростанции Вейсвеилер

Проект котла Т-образной компоновки для энергоблока мощностью 500 МВт:
ВРЧ-1-верхняя радиоционная часть; ШПП- 1 и ШПП-2 – ширмовые поверхности пароперегревателя первой и второй ступеней; КВП-1 и КВП-2 первая и вторая ступени конвективного вторичного пароперегревателя; ВЭ- водяной экономайзер
Котел Пп-1800-27,0-610/610 с кольцевой топкой

Сравнение котлов с традиционной Т-образной компоновкой и с кольцевой топкой

Мероприятия по повышению экономичности ПТУ:
оптимизация зазоров в проточной части,
меридиональное профилирование ступеней паровой турбины,
применение модернизированных конструкций лабиринтовых и концевых уплотнений,
организация оптимальной схемы влагоудаления последних ступеней паровых турбин,
переход к новому типу облопачивания с цельнофрезерованными бандажами.
Изменение КПД последней ступени ЦНД в зависимости от относительного объемного расхода пара:
1 — ступень с ранее применяемыми лопатками; 2 — ступень с саблевидными лопатками
Схема универсальной системы охлаждения ротора с совмещенным ЦВД японской фирмы Тошиба мощностью 700 МВт на параметры 24.1 Мпа, 593 оС/ 593 оС:
1 – промежуточное уплотнение между ЧВД и ЧСД; 2 – сопловая коробка ЧВД; 3 – внутренний корпус; 4 – подача охлаждающего пара из первого отбора; 5 – подача охлаждающего пара из выходного патрубка ЧВД (второго отбора, холодной нитки промперегрева); 6 - диафрагма 2-й ступени

Концепция конструкции ПТУ на УСКП параметры (840 MW, 30 MПa, 700/730C)

Состав основных мероприятий по совершенствованию ПТУ

Изменение сортамента сталей в зависимости от параметров пара паросиловых установок

Расположение наиболее затратных участков паропровода в энергоблоке УСКП
паропроводы выполняются из никелевых сплавов, стоимость которых может достигать до 110 долл.США за 1 кг

Компания Babcock и Wilcox предложила проект перевернутого башенного котла представленного на рис
Использование такой компоновки позволяет сократить почти на половину протяженность паропроводов острого пара и системы промперегрева и уменьшить стоимость проекта

Разноуровневая компоновка

Целевой индикатор
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СХЕМ УСКП
Проведены расчетные исследования схем энергоблоков УСКП с целью определения влияния параметров цикла на показатели эффективности. В качестве расчетной модели были выбраны схемы на основе турбоагрегата единичной мощностью 1000 МВт с однократным и двукратным промежуточным перегревом.
Принципиальная тепловая схема энергоблока УСКП с однократным промперегревом
1 – паровой котел; 2 – турбина; 3 – электрогенератор; 4- конденсатор; 5 – насосм основного конденсата; 6 – группа подогревателей низкого давления; 7 – деаэратор; 8 – питательный насос; 9 – турбопривод питательного насоса с собственным конденсатором; 10 – группа подогревателей высокого давления
Факторы, влияющие на эффективность цикла:
начальные параметры пара
параметры промежуточного перегрева
температура питательной воды
схемы включения питательной установки
КПД 51%

ИССЛЕДОВАНИЕ НАЧАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПАРА
Изменение начальной температуры оказывает существенное влияние на эффективность схемы, так при начальном давлении 30 МПа переход к температуре острого пара c 600 oС до 700 oС дает относительный прирост в 4,31 %.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОКРАТНОГО ПРОМПЕРЕГРЕВА
Оптимуму КПД соответствуют величины давления промежуточного перегрева в диапазоне 20-25 % от начального давления, что коррелирует с данными для блоков на сверхкритические параметры.
При применении однократного промперегрева влажность в последних ступенях турбины составляет не более 7%

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУКРАТНОГО ПРОМПЕРЕГРЕВА
Диапазон оптимальных значений первого и второго промежуточных перегревов составляет 25-30% и 6-10% от начального давления соответственно.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ
Оптимальное значение температуры питательной воды соответствует диапазону 320-340 С в зависимости от начального давления пара