Регенерация теплоты в схеме автономной водородной паротурбинной установки

УДК 621.1

РЕГЕНЕРАЦИЯ ТЕПЛОТЫ В СХЕМЕ АВТОНОМНОЙ ВОДОРОДНОЙ ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

С.В. Дахин, И.Г. Дроздов, А.С. Дахин

На примере автономной водородной паротурбинной установки электрической мощностью 4,5 МВт, рассматривается возможность регенерации теплоты выхлопа высокооборотной паровой турбины с противодавлением при её теплофикационном использовании. Приводится вариант конструкции и расчет теплообменных аппаратов для регенеративного подогрева горючего (водорода), окислителя (кислорода) и технологической воды. Показана принципиальная возможность дополнительного маневрирования отпуском электрической и тепловой энергии путём изменения степени регенерации теплоты.

Ключевые слова: автономная водородная паротурбинная установка, регенерация

Повысить энергетическую эффективность и манёвренность водородной паротурбинной установки можно за счет организации регенеративного подогрева технологических сред (горючее, окислитель и вода) и полезного

использования сбросной теплоты рабочего тела для тепло- и/или холодоснабжения [1].

На рис. 1 показана принципиальная схема возможного использования теплоты рабочего тела при теплофикации (когенерации или тригенерации).

Рис. 1. Принципиальная схема автономной водородной паротурбинной установки при теплофикации: ВПГ - водородный парогенератор; ВПТ - высокооборотная паровая турбина; ЭГ -электрогенератор; ГРП - газовый регенеративный подогреватель; ВРП - водяной регенеративный подогреватель; ВПУ - водородная паротурбинная установка; К - конденсатор; ОК - охладитель конденсата; ТС - тепловая сеть

Схема работает следующим образом. Полученный в водородном парогенераторе

Дахин Сергей Викторович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473)243-76-62, e-mail:svdahin@gmail.com Дроздов Игорь Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473)234-61-08 Дахин Андрей Сергеевич - ВГТУ, магистрант, тел. (473)243-76-62

совершает работу в высокооборотной паровой турбине (ВПТ) за счет чего в электрогенераторе (ЭГ) вырабатывается электрическая мощность.

Перегретый водяной пар с температурой 590 К и давлением 0,15 МПа из ВПТ поступает в газовый регенеративный подогреватель (ГРП) с расходом 5,95 кг/с. В ГРП за счет избыточной физической теплоты пара подогреваются горючее (водород Н2) и окислитель (кислород О 2). Подогретые газообразные Н2 и О2

подаются в ВПГ с расходами: водород - 0,178 кг/с, кислород - 0,145 кг/с.

Из ГРП водяной пар, имеющий большой перегрев, поступает в водяной регенеративный подогреватель (ВРП), где подогревает воду, подаваемую в ВПГ на завесу, регенеративное охлаждение камеры сгорания и на балластировку в камеру испарения суммарным расходом 4,36 кг/с.

Для исключения конденсации греющего пара в ВРП его температура на выходе из ВРП поддерживается несколько выше температуры насыщения - порядка 10 К.

Затем греющий, немного перегретый, пар подается в конденсатор (К), где конденсируется и передает теплоту фазового перехода воде из тепловой сети (ТС).

После конденсатора, конденсат греющего пара имеет еще достаточно высокую температуру около 110 °С. Поэтому, для охлаждения конденсата до 80 °С предусмотрен охладитель конденсата (ОК). Охлаждение конденсата происходит частью воды из тепловой сети. По сетевой воде, конденсатор и охладитель конденсата соединены параллельно.

Чтобы не допустить перегрузку системы по рабочему телу, в конденсатопроводе после охладителя конденсата (ОК) предусмотрен отбор конденсата, в количестве равном суммарному расходу горючего и окислителя (Н2 + О 2) - 1,59 кг/с, в бак подпитки

подготовленной воды, из которого, при необходимости, подпитывается система.

Оставшаяся часть конденсата с расходом 4,36 кг/с через ВРП попадает в ВПГ для технологических нужд.

Поскольку регенеративные подогреватели расположены на выхлопе турбины, то они помимо достаточно высокой тепловой интенсивности (соответственно компактности) должны обладать небольшим гидравлическим сопротивлением по пару, чтобы существенно не увеличивать противодавление.

Конструктивно ГРП представляет собой трехпоточный теплообменный аппарат, в котором один греющий теплоноситель (перегретый пар после турбины) и два нагреваемых теплоносителя (газообразные кислород и водород).

Кислород и водород движутся по трубкам с внутренним диаметром ^=10 мм и толщиной стенки ёс =1 мм. Материал стенки трубок -сталь 12Х18Н10Т. Трубки согнуты в змеевик, который имеет параллельные ходы: для

кислорода -13; для водорода - 27. Змеевики располагаются горизонтально и соединяются

через входной и выходной коллекторы, причём змеевики кислорода расположены над змеевиками водорода. Таким образом, совокупность змеевиков образует трубный пучок, который омывается греющим перегретым паром. Взаимное расположение трубок в пучке - по равнобедренному треугольнику. Величина поперечного шага пучка s1 = 0,024 м, а продольного s2 = 0,048 м. Трубный пучок помещен в короб 1х1х1,3 м. Взаимное направление движения

теплоносителей - противоточный многократноперекрестный ход (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема движения теплоносителей в ГРП

Водород имеет большую теплоёмкость и высокую теплопроводность, что приводит к большей, по сравнению с кислородом, величине коэффициента теплоотдачи. А для уменьшения габаритов ГРП желательно

получить равенство коэффициентов

теплоотдачи по кислороду и водороду. Чтобы уравнять коэффициенты теплоотдачи необходимо интенсифицировать процесс

теплоотдачи для кислорода. Для этого на трубке с кислородом изготавливаются кольцевые турбулизаторы. Турбулизаторы образуются вследствие накатки кольцевых выступов небольшой высоты (рис. 3).

Рис. 3. Кольцевая накатка турбулизаторов в трубке: В - внутренний диаметр трубки, м; й - внутренний диаметр трубки на оси кольцевого выступа, м; ї - шаг кольцевой накатки, м

Для нашего случая подойдет кольцевая накатка со следующей геометрией: й = 0,0099 м; ї = 0,0025 м.

При такой геометрии рассчитаны безразмерные комплексы [2]:

Ыи/Ыыгл = 1,38; £/&, = 1,17.

Здесь Ыи - критерий Нуссельта для трубки с турбулизаторами, Ыигл - критерий Нуссельта для гладкой трубки при тех же условиях, £ -коэффициент гидравлического трения с турбулизаторами, £гл - то же для гладкой трубки.

ВРП конструктивно - аналог ГРП, только с двумя теплоносителями. Для удобства при компоновке оборудования разделим ВРП на две равные части по глубине пучка и разместим их одну над другой (рис. 4).

пар

*

пар

Рис. 4. Схема движения теплоносителей

Нагреваемая вода во входном коллекторе распределяется на 40 параллельных ходов. Каждый из этих параллельных ходов представляет собой гладкую стальную трубку, согнутую в горизонтальный плоский змеевик. Совокупность всех змеевиков дает гладкотрубный шахматный пучок,

помещенный в канал размером 1х1 м. Поперечный и продольный шаги пучка, геометрия и материал трубок - как у ГРП. С внешней стороны трубчатый пучок поперечно омывает греющий пар после ГРП. Общее направление движения теплоносителей противоположно.

Т. к. ГРП и ВРП имеют одинаковую конструкцию, то их можно объединить в моноблок регенеративного подогревателя (РП), расположив один над другим. В этом случае в ВРП вход и выход по воде следует переместить на другую сторону аппарата так, чтобы вода и пар образовали противоток. Схема РП показана на рис. 5.

Рис. 5. Компоновка РП

Основные расчётные данные по ГРП и ВРП сведены в таблицу.

Величина Значение

ГРП ВРП

Расход пара, кг/с 5,95 5,95

Расход кислорода, кг/с 1,415 -

Расход водорода, кг/с 0,178 -

Расход воды, кг/с - 4,36

Давление пара, МПа 0,15 0,15

Давление кислорода, МПа 7,6 -

Давление водорода, МПа 7,6 -

Давление воды, МПа - 8

Температура пара на входе, °С 317 227

Температура пара на выходе, °С 227 120

Температура О2 на входе, °С 15 -

Температура О2 на выходе, °С 277 -

Температура Н2 на входе, °С 15 -

Температура Н2 на выходе, °С 277 -

Температура воды на входе, °С - 80

Температура воды на выходе, °С - 150

Коэффициент теплопередачи по кислороду, Вт/(м2 К) 283 -

Коэффициент теплопередачи по водороду, Вт/(м2К) 248 -

Коэффициент теплопередачи по 267,3

воде, Вт/

Площадь поверхности 13,2

теплообмена по кислороду, м2

Площадь поверхности 23,7

теплообмена по водороду, м2

Площадь поверхности теплообмена по воде, м2 - 85

Число рядов змеевика по О2 27 -

Число рядов змеевика по Н2 24 -

Число рядов змеевика по воде - 57

Гидравлические потери, Па 1094 1835

Тепловая мощность, МВт 1,046 1,295

Работа водородной паротурбинной установки в теплофикационном режиме позволяет получать для внешнего потребления электроэнергию и горячую воду для теплоснабжения и/или холод для систем кондиционирования.

Особенностью противодавленческой

теплофикационной паротурбинной установки является то, что для нужд теплоснабжения отводится весь отработавший в турбине пар (в данном случае этот пар является перегретым), поэтому мощность турбины связана с нагрузкой теплового потребителя. Для электрической мощности, развиваемой турбиной имеем [3]

мэ = 0Ни

где N - мощность турбины, Вт; В - расход свежего пара, кг/с; Н\ - используемый

теплоперепад, кДж/кг.

При постоянном расходе пара, мощность турбины с противодавлением однозначно определяется используемым теплоперепадом. А теплоперепад зависит от начальной

температуры пара 10. Для случая, когда начальное давление и противодавление турбины постоянны, повышение температуры пара приводит к смещению процесса расширения на ,?Т диаграмме вправо. Следовательно, работа пара возрастает,

термический и внутренний КПД

увеличиваются, а величина повышения начальной температуры пара ограничена только прочностными свойствами металла и увеличением стоимости турбины.

Таким образом, появляется

принципиальная возможность дополнительного маневрирования отпуском электрической и тепловой энергии потребителю посредством изменения (или полного отключения) регенеративного подогрева.

Предположим, что потребность в тепловой энергии снизилась, а в электрической -возросла. В этом случае осуществляется

максимально возможная регенерация теплоты. При неизменном расходе пара, за счёт подогрева компонентов топлива и технологической воды, подаваемых в ВПГ, возрастает его температура и, соответственно, отпускаемая электрическая мощность. В случае увеличения потребности в тепловой энергии возможно снижение или полное отключение пропуска пара через регенеративные подогреватели, а при необходимости и снижение температуры пара перед турбиной путём установки дополнительного

теплообменника. Из-за невозможности работы ВПТ в области влажного пара, величина снижения температуры свежего пара ограничивается областью перегретого пара. Если при максимальной степени регенерации уменьшить расход пара (за счёт уменьшения расхода компонентов топлива эквивалентно теплоте регенерации) при одинаковой температуре свежего пара, то произойдёт одновременное снижение отпуска тепловой и электрической энергии.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, государственный контракт от 13.09.2010 г. № 14.740.11.0152.

Литература

1. Дроздов И.Г. Моделирование гидродинамики и теплообмена высокоскоростного потока в камере испарения высокотемпературного водородного парогенератора / И.Г. Дроздов, С.В. Дахин, Н.Н. Кожухов, Д.П. Шматов, Э.Р. Огурцова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - Воронеж. ГОУВПО ВГТУ, 2008. - Т. 4, № 11. С. 114 - 119.

2. Эффективные поверхности теплообмена / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З. Копп и др. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 408 с.

3. Щегляев А.В. Паровые турбины. Теория теплового процесса и конструкции турбин. Учеб. для вузов: в 2 кн. / А.В. Щегляев. - 6-е изд. перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1993. - 800 с.

Воронежский государственный технический университет

HEAT RECOVERY IN THE SHEME OF THE AUTONOMOUS HYDROGEN

STEAM TURBINE

S.V. Dakhin, I.G. Drozdov, A.S. Dakhin

On the example of an autonomous hydrogen steam turbine electric capacity of 4,5 MW, the possibility of a high-speed exhaust heat recovery steam turbines with back pressure at its district heating use. We give a variant of the design and calculation of heat exchangers for regenerative heating fuel (hydrogen), oxidant (oxygen) and process water. There are possibility of additional maneuvering leave power and heat by varying the degree of heat regeneration

Key words: autonomous hydrogen steam turbine, regeneration