Исследование особенностей теплообмена в потоке продуктов сгорания под высоким давлением и его состояния в выходных ступенях газовой турбины для обоснования рабочих характеристик перспективной установки с высоконапорным котлом-утилизатором и полезным использованием теплоты конденсации водяных паров

В ходе выполнения работы была предложена принципиальная схема парогазовой установки (ПГУ) с высоконапорным котлом-утилизатором. Данная схема может быть использована в качестве варианта реконструкции действующих паросиловых блоков в РФ и ближнем зарубежье. Параметры назначения котла-утилизатора выбирались исходя из параметров наиболее распространенных в РФ паровых теплофикационных и конденсационных турбин. В качестве газовой турбины рассматривались варианты газовых турбин, прототипом которых являлись локализованные в России газовые турбины большой мощности иностранного производства и освоенные отечественные газовые турбины. Выбор газовой турбины осуществлялся с учетом требуемых параметров назначения и мощности блока. Схема реконструкции предполагает демонтаж парового котла и установку газовой турбины и ВКУ. Ключевым преимуществом схемы является возможность сохранения действующей паровой турбины с системой регенерации и отборами на теплофикацию. Дальнейшие исследования были направлены на исследование процессов теплообмена при высоком давлении продуктов сгорания (1-7 бар). В ходе расчетных исследований с применением методов численного моделирования были определены основные зависимости коэффициента теплоотдачи со стороны продуктов сгорания от давления, подтверждена применимость существующих методик расчета теплопередачи при высоком давлении. Полученные результаты позволили перейти к определению технико-экономических показателей ПГУ с ВКУ. Были получены значения оптимального уровня давления продуктов сгорания в ВКУ, которое находится в диапазоне 4-5 бар. Исследования по определению оптимальных технико-экономических показателей включали в себя определение оптимально уровня скоростей продуктов сгорания в ВКУ и влияние аэродинамического сопротивления газового тракта ВКУ на КПД установки. По результатам исследования были предложены варианты схемы реконструкции и определены технико-экономические показатели. Низкая металлоемкость ВКУ и повышение электрического КПД установки на 6-11% определяют высокий экономический эффект от реконструкции. Дальнейшие исследования были направлены на разработку конструкции ВКУ. В ходе разработки был проведен анализ существующих конструкций парогенераторов АЭС, в том числе на газовом теплоносителе, высоконапорных котлов для станций на органическом топливе. С целью снижения металлоемкости и повышению степени заводской готовности предлагаемая конструкция ВКУ выполняется транспортабельной железнодорожным транспортом. Предложенная конструкция ВКУ и условия работы его поверхностей теплообмена определили направления дальнейших исследований. Применение низкотемпературной газовой турбины и высокий уровень давления продуктов сгорания позволяет использовать тепло конденсации водяных паров в схеме без использования сторонних теплоносителей. На основании проведенных ранее исследований была предложена схема ПГУ с ВКУ, кислородным сжиганием, использованием тепла конденсации водяных паров и упрощенной утилизацией СО2. Применение хорошо освоенного энергетического оборудования является преимуществом предлагаемой установки. В ходе расчетных исследований были определены оптимальный уровень давления в ВКУ и оптимальная температура продуктов сгорания за ВКУ. Было определено, что для достижения оптимального соотношения между металлоемкостью ВКУ и эффективностью установки конденсация водяных паров должна проходить как в хвостовых поверхностях теплообмена ВКУ, так и в низкотемпературной части газовой турбины. В рамках расчетных исследований было также определено оптимальное содержание кислорода в окислителе. Оптимумом считалось такое содержание, при котором перед газовой турбиной будет обеспечиваться температура продуктов сгорания на уровне 1500 ℃, а содержание кислорода в продуктах сгорания будет минимальным с целью оптимизации затрат на очистку уходящего СО2 от О2. Расчетные исследования позволили определить оптимальное значение давления за компрессором, при котором обеспечивается температура продуктов сгорания менее 1500 ℃ и максимальный КПД установки. Полученный в ходе исследований уровень давления за компрессором (27 бар) является стандартным для современных мощных газовых турбин. Умеренная толщина стенки корпуса турбины будет определять высокие маневренные характеристики установки. Использование тепла конденсации водяных паров в цикле позволяет снизить затраты на очистку утилизируемого СО2 и повысить КПД установки до уровня 43.2% (с учетом затрат энергии на генерацию О2 и утилизацию СО2), что соответствует уровню КПД существующих вариантов ПГУ с установкой систем улавливания и утилизации СО2 из уходящих газов.