Исследование тепловых процессов и разработка экспериментальных H2/O2-парогенераторов для энергетики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.01, кандидат наук Счастливцев, Алексей Иванович

• Счастливцев, Алексей Иванович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Счастливцев, Алексей Иванович

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор результатов предыдущих работ 15 1.2.Потенциальные области применения водородно-кислородных

парогенераторов и схемы с их использованием 19 1.2.1 .Дополнительные аккумулирующие надстройки для производства пиковых

мощностей 19 1.2.2.Водородно-кислородные энергоустановки со сверхкритическими

параметрами пара

1.2.3 .Перегрев пара перед влажнопаровой турбиной

1.2.4.Водородные системы аккумулирования электроэнергии

1.2.5. Другие потенциальные области использования водородно-кислородных парогенераторов 26 1.3 Особенности термодинамического расчета водородно-кислородных парогенераторов

1.4.Характерные особенности создания экспериментальных образцов водородно-кислородных парогенераторов 29 1.4.1 .Основные типы водородно-кислородных парогенераторов. 29 1.4.2.Надежное охлаждение наиболее теплонапряженных узлов водородно-кислородного парогенератора 31 1.4.3.Обеспечение низкой неравномерности поля температур на выхлопе водородно-кислородного парогенератора

1.5.Выводы к главе 1 33 ГЛАВА 2. Термодинамический и технико-экономический анализ потенциальных областей использования водородно-кислородных парогенераторов в энергетике 35 2.1.Оценка термодинамической эффективности использования перегрева пара перед влажнопаровыми турбинами ГеоЭС 35 2.2,Оценка термодинамической эффективности использования перегрева на АЭС 41 2.2.1 .Постановка задачи 41 2.2.2.Влияние повышения температуры и уменьшения влажности пара на кпд турбоустановки 43 2.2.3 .Влияние водородно-кислородного перегрева пара на маневренность турбоустановки и КПД 46 2.2.4.Схема с использованием водородного перегрева на АЭС

2.3.Анализ систем водородного аккумулирования электроэнергии и их сравнение с другими системами

2.4.Выводы к главе 2 62 ГЛАВА 3. Разработка и экспериментальные исследования процессов в водородно-кислородном парогенераторе тепловой мощностью до 25 МВт 64 3.1 .Описание экспериментальной установки 64 3.2.Краткое описание изделия 65 3.3.Описание экспериментального стенда 70 3.4.Исследование тепловых процессов в ВКПГ-25М 76 3.4.1 .Постановка задачи

3.4.2. Исследования со смесительным элементом со струйными форсунками со струями, пересекающимися под углом 30°

3.4.3. Испытания со смесительным элементом со струйными форсунками со струями, пересекающимися под углом 15°

3.4.4. Испытания со смесительным элементом со струйными форсунками со струями, пересекающимися под углом 15° с дополнительными форсунками водорода

3.4.5.Испытания со смесительным элементом с соосноструйными форсунками водорода и кислорода

3.4.6.Проведение длительных испытаний 92 3.4.7,Обсуждение результатов испытаний 93 3.5 .Выводы к главе 3 95 ГЛАВА 4. Разработка и экспериментальные исследования тепловых процессов в водородно-кислородном парогенераторе тепловой мощностью до 200 кВт 98 4.1 .Описание экспериментальной установки 98 4.2.0писание экспериментального стенда 100 4.3 .Исследование тепловых процессов в ВКПГ-200К 104 4.3.1 .Постановка задачи 104 4.3.2.Исследование полноты сгорания 106 4.3.3 .Проведение испытаний ВКПГ-200К с автоматической системой управления 112 4.3.4.Исследование неравномерности поля температур в камере испарения 117 4.4.Выводы к главе 4 120 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 122 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123 Литература 124 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 133 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 139 ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВКПГ-25М - водородно-кислородный парогенератор тепловой мощностью до 25 МВт;

ВКПГ-200К - водородно-кислородный парогенератор тепловой мощностью до 200 кВт;

ЗУ - запальное устройство;

КС - камера сгорания;

КИ - камера испарения;

СЭ - смесительный элемент;

ГеоЭС - геотермальная электростанция;

АЭС - атомная электростанция;

ТЭС - тепловая электростанция.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование тепловых процессов и разработка экспериментальных H2/O2-парогенераторов для энергетики»

ВВЕДЕНИЕ

Технология сжигания водорода в кислороде с целью получения высокотемпературного водяного пара, реализуемая в водородно-кислородных парогенераторах (Н2/02-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 Н2Ю2-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 [1-4].

Первые экспериментальные образцы Н2/02-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 [5-7]. Этими же организациями были впервые созданы и испытаны агрегаты киловаттного класса мощности. Исследования процессов в Н2/02-парогенераторах киловаттного класса впоследствии выполнялись в Японии по программе WE-NET [8] и ряде отечественных организаций [9-11]. В настоящее время в исследованиях процессов в Н2Ю2-парогенераторах мегаваттного класса мощности и создании энергоустановок с их использованием ОИВТ РАН и ОАО КБХА являются лидерами. Существенными отличиями Н2Ю2-парогенераторов мегаваттного уровня мощности, созданными в России, от Н2/02-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 Н2/02-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. [12-30].

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.

__л

Высокие температуры процессов и тепловые потоки (до 20 МВт/м ) внутри Н2/02-парогенератора требуют создания надежных конструкций камеры сгорания. Проблемы по их созданию также рассматриваются в данной работе.

Создание Н2/02-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:

1) разработка схемных решений по практическому использованию Н2/О2-парогенераторов в автономной и централизованной энергетике и проведение их термодинамического и технико-экономического анализа;

2) разработка и оптимизация основных узлов Н2/02-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;

3) 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:

1) выполнен сравнительный технико-экономический анализ технологий аккумулирования энергии для автономной и централизованной энергетики и определены условия, при которых водородное аккумулирование с использованием Н2/02-парогенераторов может стать экономически приемлемым;

2) разработаны схемные решения по использованию Н2/02-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 %;

3) впервые разработаны новые конструкции и созданы экспериментальные образцы смесительных элементов для Н2/02-парогенератора высокого давления тепловой мощностью до 25 МВт. Проведен цикл испытаний модернизированного Н2/02-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;

4) получены экспериментальные данные по температуре и давлению генерируемого пара для Н2/02-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 Н2Ю2-парогенераторов высокого давления различного уровня мощности, которые могут быть использованы для:

1. Создания водородных систем аккумулирования и покрытия неравномерностей графика потребления энергии для централизованной и автономной энергетики;

2. Создания систем перегрева пара, с целью повышения эффективности электростанций с паровыми турбинами;

3. Создания автономных экологически чистых энергоустановок;

4. 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.

1. Малышенко С.П., Счастливцев А.И. «Термодинамическая эффективность геотермальных станций с водородным перегревом пара», Теплоэнергетика, 2010, № 11, с. 23-27.

2. Ильичев В.А., Пригожин В.И., Савич А.Р., Свиридов О.П., Малышенко С.П., Назарова О.В., Счастливцев А.И. «Разработка высокотемпературного водородного минипароперегревателя» Тепловые процессы в технике, 2011, № И, с. 517-522.

3. Малышенко С.П., Пригожин В.И., Савич А.Р., Счастливцев А.И., Ильичев В.А., Назарова О.В. «Эффективность генерации пара в водородо-

кислородных парогенераторах мегаваттного класса мощности», Теплофизика высоких температур, 2012, том 50, № 6, с. 820-829.

4. Schastlivtsev A.I., Shaidullin A.N. «Development of perspective hydrogen steam turbine and gas turbine power plants», 2nd World congress of yong scientists on hydrogen energy systems, 6-8 June 2007, Turin - Italy, p. 312-316.

5. Счастливцев А.И., Шайдуллин A.H. «Исследование эффективности водородных паротурбинных установок и их ключевых элементов», Труды XVI Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Т.2, с. 297-302, 21-25 мая 2007 г., Санкт-Петербург, Россия.

6. Счастливцев А.И. «Сравнение эффективности использования систем водородного и гидравлического аккумулирования электроэнергии на электрической станции», Материалы II Международного форума «Водородные технологии для развивающегося мира», 22-23 апреля 2008 г, Москва, Россия, с.41-42.

7. Грязное А.Н., Малышенко С.П., Назарова О.В., Пригожим В.И., Рачук B.C., Савич А.Р., Счастливцев А.И. «Водородные парогенераторы для стационарных энергетических систем», Материалы II Международного форума «Водородные технологии для развивающегося мира», 22-23 апреля 2008 г, Москва, Россия, с. 59-60.

8. Счастливцев А.И. «Результаты испытаний водородного парогенератора мощностью 25 МВт (т)», Материалы конференции «Результаты фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение», 24-26 марта 2008 г, Москва, Россия, с. 75-78.

9. Gryaznov A.N., Malyshenko S.P., Nazarova O.V., Prigojin V.I., Rachuk VS., Savich A.R., Schastlivtsev A.I. «Hydrogen steam generators for stationary power systems», 17th World Hydrogen Energy Conference (WHEC2008), 15-19 June 2008, Brisbane, Australia, (CD-ROM).

10.Счастливцев А.И, Малышенко С.П. «Исследование тепловых процессов в Н2/О2 -парогенераторах» Труды XVII Школы-семинара молодых учёных и

специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Т.1, с. 429432, 25-29 мая 2009 г., Санкт-Петербург, Россия.

11 .MalyshenkoS.P., Schastlivtsev A.I. «Hydrogen steam generators for steam superheating in stationary power systems» Second Russia-Taiwan Symposium on Hydrogen and Fuel Cell Technology Application. Moscow, Oct. 5-6, 2009, (CD-ROM).

Yl.Malyshenko S.P., Schastlivtsev A.I. «Thermodynamics efficiency of geothermal plants with hydrogen steam superheating» Proceedings of the 18th World Hydrogen Energy Conference 2010 - WHEC 2010. Essen, Germany, 16-21 May 2010. Ed. by D. Stolten and T. Grube. Forschungszentrums Mich, Abstracts, V.6 p.57-58.

13.Малышенко С.П., Счастливцев А.И. «Термодинамическая и технико-экономическая оценка эффективности водородо-кислородного перегрева пара перед влажнопаровыми турбинами АЭС и ГеоТЭС» Юбилейная научная конференция, посвященная 50-летию ОИВТ РАН, 20-21 октября 2010 года. Сборник тезисов докладов. М.: 2011. с.290-293.

XA.Malyshenko S.P., Prigojin V.I., Schastlivtsev A.I., Nazarova O.V. «Thermal Processes in Hydrogen-Oxygen Steam Generators of Megawatt Capacity Level», 11th International Conference on Clean Energy (ICCE-2011) , Taichung, Taiwan, 7-10 November 2011, (CD-ROM).

15.A.I. Schastlivtsev, S.P. Malyshenko «Comparative feasibility study of hydrogen-oxygen steam generators based electric energy storage systems» Proceedings of the 19th World Hydrogen Energy Conference 2012 - WHEC 2012. Toronto, Canada, 3-7 June 2012, (CD-ROM).

16.C.77. Малышенко, А.И. Счастливцев, O.B. Назарова «Тепловые процессы в водородо-кислородных парогенераторах мегаваттного класса мощности» Тезисы докладов Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» - ИТАЭ-80. Москва, 04-06 апреля 2012 г. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012.-224 е.: ил., с. 181-182.

17.Счастливцев А.И., Малышенко С.П. «Анализ термодинамической и технико-экономической эффективности геотермальных станций с водородным перегревом пара» Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов // Материалы V Школы молодых ученых имени Э.Э. Шпильрайна. 11-12 октября 2012 г. / Под ре ред. д.т.н. А.Б. Алхасова -Махачкала: АЛЕФ, 2012. -394 е., с. 241-247.

18.Малышенко С.П., Счастливцев А.И. «Смесительная головка водородно-кислородного парогенератора» Патент на изобретение № 2379590 от 04.06.2008.

19.Малышенко С.П., Счастливцев А.И. «Геотермальная установка для выработки электроэнергии с водородно-кислородным перегревом» Патент на полезную модель № 84467от 21.01.2009.

Ю.Малышенко С.П., Счастливцев А.И. Водородно-кислородный минипарогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания // Патент на полезную модель № 130674от 05.10.2012.

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 Н2/02-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 приложения. По объему работа содержит 157 страниц, включая 67 рисунков и 32 таблицы по тексту диссертации. Библиография имеет 79 наименований.

На защиту выносятся:

1) Результаты экспериментальных исследований тепловых процессов и их анализа в Нг/Ог-парогенераторе тепловой мощностью до 25 МВт с различными смесительными элементами;

2) Новые конструкции смесительных элементов Н2/02-парогенератора тепловой мощностью до 25 МВт, обеспечивающие повышение эффективности процессов генерации пара, и результаты их испытаний;

3) Результаты экспериментальных исследований тепловых процессов и их анализа в экспериментальном Н2/С>2-парогенераторе тепловой мощностью до 200 кВт;

4) Результаты термодинамического и технико-экономического анализа схем с использованием Н2/02-парогенераторов для осуществления перегрева пара на электростанциях с паровыми турбинами;

5) 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 [812]. Рассмотрены потенциальные области применения Н2/02-парогенераторов, схемы с их использованием и особенности их термодинамического расчета [3, 12-16]. 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. Приведены результаты сравнительного технико-экономического

анализа технологий аккумулирования энергии, который показал, что водородные системы аккумулирования с водородно-кислородными парогенераторами могут быть конкурентоспособными по сравнению с традиционными системами аккумулирования.

Третья глава описывает результаты экспериментальных исследований водородно-кислородного парогенератора 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, а также результаты изучения тепловых процессов в камере сгорания и камере испарения.

Четвертая глава содержит основные результаты экспериментальных исследований водородно-кислородного парогенератора тепловой мощностью до 200 кВт. Приводится описание экспериментальной установки, системы управления и результаты предварительного и основного циклов испытаний.

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 исследованию неравномерности поля температур в камере испарения.

ГЛАВА 1. Обзор результатов предыдущих работ

Данная глава посвящена кратким сведениям о характерных особенностях применения, разработки, и создания водородно-кислородных парогенераторов. 1.1. Исследования полноты сгорания водорода в кислороде в различных условиях

Источником тепла и, частично, рабочего тела при работе водородно-кислородного парогенератора (ВКПГ), является реакция горения водорода в кислороде. Наиболее опасным фактором при работе такой установки является неполное сгорание водорода, и как следствие этого, возможное образование взрывоопасных смесей при конденсации пара. Смесь водорода с воздухом воспламеняется и детонирует в большом диапазоне концентраций - 4...75% и 18,3...74% соответственно. В смеси с кислородом пределы воспламенения и детонации расширяются и составляют - 4...96% и 15...94% соответственно. Тепловой импульс (энергия зажигания), необходимый для воспламенения весьма мал и составляет для водородно-воздушных смесей Е0=19.6 10"6Дж. Энергия, инициирующая реакцию водорода с воздухом, столь мала, что воспламенение водорода может произойти даже за счет разряда электростатического электричества, накопившегося на одежде. Тротиловый эквивалент взрыва стехиометрических смесей водорода с воздухом равен 10,6 кг тринитротолуола на один килограмм продукта.

При использовании пара из ВКПГ в качестве рабочего тела паровой турбины, в конденсаторе или в закрытых помещениях могут образовываться места с взрывоопасной смесью. Кроме этого, от полноты сгорания водорода напрямую зависит КПД самого парогенератора. В связи с этим, изучению полноты сгорания водорода в различных условиях уделяется большое внимание [6-7,31-35].

Рассмотрим основные барьеры, приводящие к неполному сгоранию водорода:

• Влияние конструктивных особенностей камеры сгорания

Выбор конструкции камеры сгорания ВКПГ оказывает существенное влияние на его технические характеристики в целом. Объем камеры сгорания должен обеспечить достаточное время нахождения в ней основных компонентов, для осуществления наибольшей полноты реакции. Кроме этого, высокая температура горения водорода в кислороде (около 3600 К при 7 МПа) требует создания надежной системы охлаждения. Известно 3 основных способа, используемых для охлаждения КС Н2Ю2-парогенераторов:

• внешнее водяное охлаждение;

• внутреннее охлаждение низкотемпературным паром;

• комбинированное охлаждение.

Внешнее водяное охлаждение позволяет исключить наличие в зоне горения дополнительного, по сравнению со стехиометрией, количества пара, являющегося продуктом реакции, что повышает полноту сгорания. Вместе с тем, для обеспечения надежного охлаждения стенок КС требуется подача большего расхода охлаждающей воды, по сравнению с комбинированным охлаждением. Это в свою очередь может оказаться неприемлемым если температура пара, получаемого в ВКПГ должна быть достаточно высокой, поскольку весь расход охлаждающей воды подается в камеру испарения. Комбинированная система охлаждения использовалась при создании водородно-кислородных парогенераторов в России (ОИВТ РАН-ОАО КБХА) [6, 5, 21] и Германии (DLR) [23, 24, 36].

Внутреннее охлаждение низкотемпературным паром использовалось в установках, разработанных в рамках программы WE-NET (Япония). В результате работ были получены данные о сгорании различных смесей водорода в кислороде в среде избытка водяного пара [8], в этой работе показано, что в таких условиях происходит существенное недогорание топлива. В России рядом исследователей также проводились эксперименты на образцах киловаттного уровня мощности при сгорании водорода в среде водяного пара [10, 11, 37, 38] и при подаче воды вдоль стенок КС [39-41]. При этом, однако, измерений полноты сгорания топлива не проводилось.

• Влияние геометрии смесительного элемента

Из опыта ракетостроения и газотурбостроения известно, что для обеспечения наиболее полного сгорания топлива необходимо обеспечить его хорошее смешение с окислителем. Имеется 2 основных конструктивных варианта организации смешения струй топлива и окислителя:

1) Струйные форсунки (с пересекающимися струями и соосноструйные);

2) Центробежные форсунки.

Центробежные форсунки имеют широкий и сравнительно короткий конус распыла, при этом распыл получается более тонкий, чем для струйных форсунок, поэтому они нашли наиболее широкое применение при подаче топлива или окислителя в виде жидкости. В то же время струйные форсунки меньше и проще центробежных и это позволяет разместить их большее количество на смесительном элементе. Например, в наиболее совершенном смесительном элементе DLR [17] размещено 58 соосноструйных форсунок на диаметре 100 мм, что существенно усложняет ее конструкцию. Коэффициент расхода струйных форсунок в 2,5...3 раза больше, чем у центробежных, что позволяет обеспечить их большую пропускную способность. Основным их недостатком является относительно большая дальнобойность и малый угол распыла, в связи с чем для наилучшего смешения необходимо конструктивно обеспечить пересечение струй топлива и окислителя, либо большую разность скоростей компонентов (в случае с соосноструйными форсунками).

В работах ОИВТ РАН предложено использовать струйные форсунки с пересекающимися струями. Это обеспечивает наиболее полное перемешивание топлива и окислителя, однако в этом случае в камере сгорания могут возникать интенсивные вихревые потоки, при этом продукты горения высокой температуры могут попадать на огневое дно смесительного элемента, увеличивая тепловую нагрузку на него. Таким образом, выбор оптимальной геометрии смесительного элемента, обеспечивающей максимальную полноту сгорания, минимальные тепловые потоки, высокую надежность и ресурс является актуальной задачей при разработке Н2/02-парогенераторов.

В работах [4, 17, 23, 24, 42, 43], проводившихся в Германии использовался смесительный элемент с соосноструйными форсунками. За его основу был взят СЭ конструкции фирмы Сименс для ракетного двигателя. Вместе с тем, использование таких форсунок обуславливает необходимость расположения их большого количества на огневом дне, что усложняет конструкцию и предъявляет повышенные требования к точности ее изготовления. В работах ОИВТ РАН также проводились испытания СЭ с соосноструйными форсунками [6], однако в этом случае в качестве окислителя использовался жидкий кислород, что обеспечивало высокую полноту сгорания. Следует отметить, что при использовании соосноструйных форсунок также возможно повреждение СЭ при возникновении обратных вихрей в камере сгорания [5]. • Влияние «эффектов закалки» высокотемпературного потока

Резкое охлаждение высокотемпературного потока может приводить к существенному недожогу топлива. В работах [5, 6, 12, 44] изучались подобные эффекты, однако прямых экспериментальных исследований по их изучению не проводилось. Некоторыми исследователями проводились исследования горения водорода и кислорода в воде при атмосферном давлении и температуре от 25 до 100 °С (температура насыщения) [33, 34]. Отмечается, что в целом полнота сгорания остается невысокой, а при увеличении температуры воды полнота сгорания увеличивается. Причину снижения полноты сгорания авторы объясняют тем, что более низкая температура воды обеспечивает более быстрый теплоотвод из зоны горения, что снижает скорость протекания реакции. В работах [5, 6, 23] по результатам исследований, проводимых в России и Германии, авторы также отмечают влияние "эффектов закалки" на полноту сгорания. Отмечается, что процесс закалки может происходить вблизи охлаждаемой стенки камеры сгорания и при смешении продуктов сгорания с холодной водой. Влияние данного эффекта оценивается примерно в 0,1...0,3% (об.) по количеству недогоревшего водорода. Получение высокой полноты сгорания в этом случае обеспечивается за счет плавного охлаждения продуктов реакции, используя многоступенчатую подачу охлаждающей воды. В этом

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Счастливцев, Алексей Иванович, 2013 год

Литература

1. Стырикович М.А, Легасов В.А., Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П.

«Основные проблемы водородной энергетики», Предварительный доклад Комиссии /АН СССР по водородной энергетике, М.: изд. ИВТАН, 1978.

2. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П. «Некоторые аспекты развития водородной энергетики и технологии», Теплоэнергетика, №3, с.8-12, СССР, 1980.

3. Малышенко С.П., Назарова О.В., Сарумов Ю.А. «Термодинамические аспекты применения водорода для решения некоторых проблем в энергетике», Теплоэнергетика, № 10, с. 43-47, 1986.

4. Sternfeld H.J., P. Heinrich. «А demonstration plant for the hydrogen/oxygen spinning reserve», International Journal of Hydrogen Energy, Volume 14, Issue 10, p. 703-716, 1989.

5. Бебелин И.Н., Волков А.Г., Грязное A.H., Малышенко С.П. «Разработка и исследование экспериментального водородо-кислородного парогенератора мощностью 10 МВт(т)», Теплоэнергетика, № 8, с. 48-52,

1997.

6. Malyshenko S.P., Gryaznov A.N., Filatov N.I. «High-pressure H2/02 - steam generators and they possible applications», International Journal of Hydrogen Energy, № 29, p. 589-596, 2004.

7. Haidn O. J., Frohlke K., Carl J., Weingartner S. «Improved combustion efficiency of a H2/02 steam generator for spinning reserve application», International Journal of Hydrogen Energy, V. 23,1. 6, p. 491-497, 1998.

8. «International clean energy network using hydrogen conversion (WE-NET)», Annual summary reports on results, NEDO, Japan, 1994, 1995, 1996, 1997,

1998.

9. Ильичев B.A., Пригожин В.И., Савич A.P., Лешов А.Н., Малышенко

С.П. «Экспериментальные исследования рабочих процессов водородных высокотемпературных мини-парогенераторов с вихревыми камерами

сгорания», Альтернативная энергетика и экология, Т. 76, № 8, с. 72-77, 2009.

10. Фаворский О.Н., Леонтьев А.И., В.А.Федоров, Мильман О.О.

«Научно-технические основы высокоэффективного производства электроэнергии с комплексным использованием органического и водородного топлива», Энергетик, № 1, с. 2-6 , 2008.

И. Прибатурин H.A., Федоров В.А., Алексеев М.В., Сорокин АЛ. «Изучение горения водород-кислородной смеси в потоке водяного пара низкой температуры» Тепловые процессы в технике. №6. с.261-266, 2012.

12. Малышенко С.П., Пригожин В.И., Рачук B.C. «Разработка и создание водородо-кислородных парогенераторов для энергетики», Инновационные технологии в энергетике / Российская академия наук. -М.: Наука, 2012. Кн. 2. Инновационные водородные и сверхпроводниковые технологии для энергетики, 2012. — 162 е..

13. Шапиро В.И., Малышенко С.П., Реутов Б.Ф. «Повышение маневренности ПГУ при использовании водородно-кислородных парогенераторов», Теплоэнергетика, № 9, с. 35-40, 2011.

14. Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Шацкова О.В. «Оценка эффективности водородных циклов на базе внепиковой электроэнергии АЭС» Теплоэнергетика, № И, с.41-45,2009.

15. Аминов Р.З., Байрамов А.Н. «Системная эффективность водородных циклов на основе внепиковой электроэнергии АЭС» //Изв. РАН энергетика., № 4, с. 52-61, 2011.

16. Крылов М.К., Портянкин A.B. «Новые подходы повышения электрической мощности АЭС с ВВЭР при применении водородных технологий», Известия высших учебных заведений, Проблемы энергетики, № 7-8, с. 110-114, 2006.

17. Sternfeld. H.J. «А hydrogen/oxygen steam generator for the peak-load management of steam power plants», Hydrogen Energy Progress V,

Proceeding of the 5 World Hydrogen Conference, Toronto, Canada, 15-20 July, p. 54-59,1984.

18. Шпильрайн Э.Э., Сарумов Ю.А., Попель O.C. «Применение водорода в энергетике и энергетических комплексах», Атомно-водородная энергетика и технология, Вып. 4, М: Энергоатомиздат, 1982.

19. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г.: «Введение в водородную энергетику», монография, Энергоатомиздат, СССР, 1984.

20. Малышенко С.П., О.В. Назарова, Ю.А. Сарумов. «Некоторые термодинамические и технико-экономические аспекты применения водорода в энергетике», Атомно-водородная энергетика и технология, Вып.8 под ред. В.А. Легасова, М:, Энергоатомиздат, с.16-21, 1988.

21. Морозов Г.Н., Корягина Г.М., Старостенко Н.В., Малышенко С.П. «Пиковые энергетические водородо-кислородные энергоустановки», Водородная энергетика и технология. РНЦ «Курчатовский институт», с. 84-88, 1992.

22. Малышенко С.П. «Водород как аккумулятор энергии в электроэнергетике», Российский химический журнал, т.41, с. 112-120, 1997.

23. Shternfeld H.J., Wolfmuller К. «The hydrogen/oxygen spinning reserve system - an approach to the economic generation of electricity from hydrogen», VGB Kraftwerkstechnik, № 66, p.675-683,1986.

24. Sternfeld H. J., K. Wolfmuller. «Spinning reserve for power plants from

tli

stored hydrogen», Hydrogen Energy Progress VI, Proceeding of the 6 World Hydrogen Conference, Vienna, Austria, 20-24 July, 41-46, 1986.

25. Gorlov A.M., «Hydrogen as an activating fuel for a tidal power plant», International Journal of Hydrogen Energy, V. 6,1. 3, p. 243-253, 1981.

26. Clifford J.E., Brooman E.W., Sulzberger Т., El-Badry Y.Z. «An off-peak energy storage concept for electric utilities: Part II—The water battery concept», Applied Energy, V. 3,1. 4, p. 233-255, 1977.

27. Wojkowsky H., Schnurberger W., Sternfeld H.J. «Evaluation of attainable efficiencies and for generation of electricity from hydrogen», Commission of the European Community, Contract No. 404-78-7 EHD. Report EUR 7529 DE, 1981.

28. Середа И.П., Циклаури Г.В. «О возможности формирования пиковой мощности на базе водородо-кислородных установок», Водородная энергетика и технология, РНЦ «Курчатовский институт», с. 89-94, 1992.

29. Kustner Н., Exner R., Bergman Н. «HYDROSS - The use of hydrogen to provide a spinning reserve in power stations», VGB - Kraftwerkstechnik, v. 73, № 5, p. 375-378,1993.

30. Gray E.A., Webb C.J., Andrews J., Shabani В., Tsai P.J. «Hydrogen storage for off-grid power supply», International Journal of Hydrogen Energy, V.36,1. l,p. 654-663,2011.

31.Haidn O., Frohlke K. «Improved combustion efficiency of a H2/02 steam generator for spinning reserve application», Hydrogen Energy Progress XI,

fVt

Proceeding of the 11 World Hydrogen Conference, Stutgard, Germany, 23-28 June, p. 73-77, 1996.

32. Iki N., Furutani H., Hama J., Takahashi S. «Combustion properties of

stoichiometric hydrogen-oxygen mixture in steam environment», Hydrogen

• th

Energy Progress XII Proceeding of the 12 World Hydrogen Conference, Buenos Aires, Argentina, 21-26 June, p. 112-115, 1998.

33. Kumakura Т., Hiraoka K., Ikame M., Kan S., Morishita T. «Combustion characteristics of stoichiometric hydrogen and oxygen mixtures in water», Hydrogen Energy Progress VIII, Proceeding of the 8th World Hydrogen Conference, Honolulu and Waikoloa, Hawaii, USA, 22-27 July, p. 78-82, 1990.

34. Kumakura Т., Kan S., Hiraoka K., Ikame M. «Characteristics of stoichiometric H2/02 combustion in water with premixing and diffusion

íL

burners», Hydrogen Energy Progress, X Proceeding of the 10 World Hydrogen Conference, Cocoa beach, Florida, USA, 20-24 June, p. 41-44, 1994.

35. Пригожин A.A., Лазаренко И.Н, Шматов Д.П. «Моделирование гидрогазодинамики и теплообмена в каналах соплового устройства водородной энергоустановки» //Вестн. ВГТУ, Т.7, № 12, с. 72-76, 2011.

36. Frohlke К., Haidn О. J. «Spinning reserve system based on Н2/С>2 combustión», Energy Conversión and Management, V. 38, I. 10-13, p. 983993, 1997.

37. Фаворский O.H., Леонтьев А.И., Федоров В.А., Мильман О.О.

«Энергоэффективное непрерывное производство электроэнергии с комбинированным использованием органического и водородного топлива». Сборник «Водородные технологии для производства энергии» Международный форум, с.233-234, 2006.

38. В.А.Федоров, Шифрин Б.А., Токарь Р.А., Мильман О.О. «Расчетно-экспериментальные исследования в области создания высокотемпературных паровых турбин», // Тр. Четвёртой российской национальной конференции по теплообмену. М.: Издательский дом МЭИ, Т.1, с. 2

39. Ильичев В.А., Пригожин В.И., Савич А.Р., Дроздов И.Г., Пригожин

A.А. «Экспериментальные исследования рабочих процессов модельной водородной высокотемпературной паротурбинной энергоустановки» Вестник воронежского государственного технического университета, № 8, с. 11-16, 2010.

40. Пригожин В.И., Дахин С.В., Дроздов И.Г., Чембарцев С.Н., Ильичев

B.А., Савич А.Р. «Разработка турбоводородной энергоустановки и эффективных схем её использования в энергокомплексе», Тепловые процессы в технике, № 12, с. 565-569, 2010.

41. Ильичев В.А., Пригожин В.И., Савич А.Р., Дроздов И.Г., Пригожин А.А. «Экспериментальные исследования рабочих процессов модельной

водородной высокотемпературной паротурбинной энергоустановки» Вестник ВГТУ, Т. 6., № 8, с. 11-16, 2010.

42. Peschka W., Winter С. «The secondary energy carrier hydrogen review of DFVLR-activities», Hydrogen energy progress IV. Proceeding of the 4th world hydrogen conference, California, USA, 13-17 June, p. 112-117, 1982.

43. Sternfeld H.J. «The DLR H2/O2 - steam generator and its application for the power industry», Perspectives in Energy, V.3, p. 17-25, 1994-1995.

44. Малышенко С.П., Пригожин В.И., Рачук B.C. «Водородо-кислородные парогенераторы», Современное машиностроение, № 2-3 (8-9), с. 3-7, 2009.

45. Malyshenko S.P. «Hydrogen application in power industry», HYPOTHESIS IV, Proceedings. Publ. Fachhochschule Stralsund. Germany, vol. 1, Keynote Lectures, p.25-30, 2001.

46. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П. «Основные направления использования водорода в энергетике», Российский химический журнал, т. 37, №2, с. 10-17, 1993.

47. Трухний А.Д., Изюмов М.А., Поваров О.А., Малышенко С.П. «Основы современной энергетики». Том 1, Гл.20, Современная теплоэнергетика; под ред. А.Д. Трухния. - 472 е., ил., 2008.

48. С.П. Малышенко, А.И. Счастливцев «Термодинамическая эффективность геотермальных станций с водородным перегревом пара», Теплоэнергетика, № 11, с. 23-27, 2010.

49. Ball М., Wietschel М., Rentz О. «Integration of a hydrogen economy into the German energy «system an optimising modelling approach», International Journal of Hydrogen Energy, V. 32,1. 10-11, p. 1355-1368, 2007.

50. Sternfeld H. «Hydrogen/oxygen-steam generators for sterilization

processes&chemical engineering», Hydrogen Energy Progress VIII Proceeding

tb

of the 8 World Hydrogen Conference, Honolulu and Waikoloa, Hawaii, USA, 22-27 July, p. 32-36, 1990.

51.Peschka W. «Hydrogen combustion in tomorrow's energy technology», International Journal of Hydrogen Energy, V. 12,1. 7, 1987, p. 481-499.

52. Зарянкин A.E., Рогалев Н.Д., Лысков М.Г., Рогалев А.Н. «Турбоустановка АЭС с внешним пароперегревателем» Вестник Московского энергетического института. 2011. № 4. С. 12-18.

53. Cicconardi S. P., Perna A., Spazzafumo G. «Steam power-plants fed by high pressure electrolytic hydrogen», International Journal of Hydrogen Energy, V. 29,1. 5, p. 547-551,2004.

54. Cicconardi S. P., Spazzafumo G. «Hydrogen energy storage: Hydrogen and oxygen storage subsystems», International Journal of Hydrogen Energy, V. 22, I. 9, p. 897-902, 1997.

55. Hama J., Takahashi S., Furutani H., Iki N. «А closed gas turbine system by using of hydrogen/oxygen combustion», Hydrogen Energy Progress XI, Proceeding of the 11th World Hydrogen Conference, Stutgard, Germany, 23-28 June, p. 17-23, 1996.

56. Sugisita H., Mori H., Uematsu К. «А study of thermodynamic cycle and system configurations of hydrogen combustion turbines», Hydrogen Energy Progress XI. Proceeding of the 11 World Hydrogen Conference, Stutgard, Germany, 23-28 June, p. 19-22, 1996.

57. Murayama M., Toh H., Yasu S. «Research and development of an initial

model of hydrogen turbine combustor for WE-NET project in Japan»,

th

Hydrogen Energy Progress XII Proceeding of the 12 World Hydrogen Conference, Buenos Aires, Argentina, 21-26 June, p. 45-48, 1998.

58. Hama J. «Н2-02 - combustion gas turbine with inert-gas recirculation», New energy systems and conversions, p. 113-118, 1993.

59. Mori H., Sugishita H. «А study of 50 MW hydrogen combustion turbines», Hydrogen Energy Progress XII Proceeding of the 12th World Hydrogen Conference, Buenos Aires, Argentina, 21-26 June, p. 54-58, 1998.

60. Stucki S. «The cost of electrolytic hydrogen from off-peak power», International Journal of Hydrogen Energy, V. 16,1. 7, p. 461-467, 1991.

61. «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года», http ://www. energy strategy .ru/proj ects/ es-2030.htm

62. Сайт Загорской ГАЭС, http://www.zagaes2.rushydro.ru/

63. Schoenung S.M. «Characteristics and Technologies for Long-vs. Short-Term Energy Storage. A Study by the DOE Energy Storage Systems Program», SANDIA REPORT SAND2001-0765, 2001. http://prod.sandia.gov/techlib/access-control.cgi/2001/010765 .pdf

64. Steward D., Saur G., Penev M., Ramsden T. «Lifecycle cost analysis of hydrogen versus other technologies for electrical energy storage», Technical report NREL/TP-560-46719, November 2009, U.S. Department of Energy, http ://oe.energy.gov/eac.htm.

65. Фортов B.E., Попель O.C. «Энергетика в современном мире». Научное издание, - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект»,. - 168 с. 2011.

66. Weinmann О. «Hydrogen — the flexible storage for electrical energy». Водород — универсальный накопитель электроэнергии. — Power Engineering Journal,, № 3, p. 164-170, 1999.

67. Малышенко С.П., Счастливцев А.И. «Геотермальная установка для выработки электроэнергии с водородно-кислородным перегревом» Патент на полезную модель № 84467от 21.01.2009.

68. Маргулова Т.Х. «Атомные электрические станции», Учебник для вузов по специальности «Атомные электрические станции и установки». М., «Высшая школа», 1969.

69. Малышенко С.П., Грязнов А.Н. Патент на изобретение № 2374560 по заявке № 2008109954 от 18.03.2008 «Запальное устройство».

70. Малышенко С.П., Грязнов А.Н. Патент на изобретение № 2309325 по заявке № 2005139564 от 19.12.2005 «Парогенератор».

71. Малышенко С.П., Счастливцев А.И. Патент на изобретение № 2379590 по заявке № 2008122259 от 04.06.2008 «Смесительная головка водородно-кислородного парогенератора».

72. Малышенко С.П., Грязнов А.Н. Патент на изобретение № 2358191 по заявке № 2007132543/06 от 29.08.2007 «Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания».

73. Малышенко С.П., Грязнов А.Н. Патент на изобретение № 2358190 по заявке № 2007132542/06 от 29.08.2007 «Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения».

74. Годовой отчет ОАО «Атомный энергопромышленный комплекс» за 2009 г. // Атомэнергопром атомная отрасль России. Годовые отчеты, (дата обращения 14.10.2010г.)// www.rosatom.ru/wps/wcm/connect/.. ./anrep_atomenergoprpm_2009.pdf

75. Сорокин Н. Обеспечение безопасности и повышение эффективности атомной энергетики России // Росэнергоатом: ежемесячный журнал атомной энергетики России. № 5, с. 14-19, 2008.

76. Sternfeld H.J. «Capacity control of power stations by O2/H2 rocket combustor technology», Acta Astronáutica, V. 37, p. 11-19, 1995.

77. Добровольский M.B. «Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования» Учебник для вузов. - 2-е изд. перераб. и .доп./ под ред. Д.А. Ягодникова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. -488 е.: ил.

78. Архаров А.М., Архаров И.А., Афанасьев В.Н. и др. «Теплотехника», Учебник для втузов, 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.

79. Горнштейн В.М., Мирошниченко Б.П., Пономарев А.В. и др. «Методы оптимизации режимов энергосистем», М.: Энергия, 1981.