ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2012, том 50, № 6, с. 820-829
= ТЕПЛОМАССООБМЕН И ФИЗИЧЕСКАЯ ГАЗОДИНАМИКА
УДК 620.97, 620.92
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГЕНЕРАЦИИ ПАРА В ВОДОРОДОКИСЛОРОДНЫХ ПАРОГЕНЕРАТОРАХ МЕГАВАТТНОГО КЛАССА МОЩНОСТИ
© 2012 г. С. П. Малышенко1, В. И. Пригожин2, А. Р. Савич2, А. И. Счастливцев1, В. А. Ильичев2, О. В. Назарова1
1 Объединенный институт высоких температур РАН, Москва
2 ОАО "Конструкторское бюро химавтоматики", г. Воронеж
Поступила в редакцию 12.10.2011 г.
Приведены результаты экспериментальных исследований и оптимизации процессов смесеобразования, горения и генерации пара в экспериментальных Н2/О2-парогенераторах мегаваттного класса мощности.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования и разработки водородокисло-родных парогенераторов были инициированы теоретическими исследованиями, выполненными в конце 70-х—начале 80-х годов прошлого столетия в СССР [1], США [2] и Германии [3]. В этих, а также последующих публикациях [4—19] показано, что создание водородных систем аккумулирования электроэнергии и покрытия неравно-мерностей графика нагрузки — одно из наиболее перспективных направлений разработок технологий, обеспечивающих замыкание баланса мощности в энергосистемах с большой долей АЭС и угольных ТЭС.
В часы минимума нагрузки водород и кислород производятся электролизом воды, направляются в хранилище и используются в часы пиковой нагрузки для производства дополнительной мощности путем сжигания водорода в кислороде и дополнительного перегрева и увеличения расхода пара перед цилиндром среднего и/или низкого давления турбины [5, 6].
Основным новым элементом водородных систем аккумулирования электроэнергии и покрытия неравномерностей графика нагрузки (прежде всего, производства пиковой и остропиковой мощности) на АЭС и угольных ТЭС является во-дородокислородный парогенератор высокого давления мегаваттного класса мощности. Исследования процессов и разработки этой новой техники выполнялись Германским аэрокосмическим центром (DLR) [8, 12-14] и ОИВТ РАН в кооперации с ОАО КБХА [17-22]. В Японии исследования процессов в водородокислородных парогенераторах по программе WE-NET выполнялись на моделях киловаттного класса мощности [23-26]. В разработках Н2/О2-парогенерато-ров используется опыт ракетных (жидкостно-ре-активные двигатели — ЖРД) и авиационных (газотурбинные двигатели — ГТД) технологий. Обобщенная схема Н2/О2-парогенератора на основе ЖРД-технологий представлена на рис. 1.
Создание этих агрегатов связано с решением следующих научно-технических задач.
Сопло имитатор
Рис. 1. Обобщенная схема огневого блока экспериментального водородокислородного парогенератора ОИВТ РАН тепловой мощностью до 25 МВт: ДЗУ — датчик давления в запальном устройстве; ДПКС-1, ДПКС-2 — датчики давления в камерах смешения первого и второго каскадов балластировки; ТПКС-1, ТПКС-2 — датчики температуры в камерах смешения первого и второго каскадов балластировки.
Таблица 1. Расчетные параметры экспериментального парогенератора модели 25М
Расчетная тепловая мощность, МВт Расход газообразного кислорода, г/с Расход газообразного водорода, г/с Расход охлаждающей воды, кг/с Температура водяного пара на выходе, К Давление в камере сгорания, МПа
15-25 960-1600 120-200 1.5-4 до 1400 до 7.5
— Требуется обеспечить эффективное смешение компонентов и наиболее полное сгорание водорода в кислороде при высоком давлении и близком к стехиометрическому соотношению их расходов на входе в камеру сгорания (КС). Допустимое содержание недогоревших неконцентри-руемых газов на выхлопе огневого блока не должно превышать 2% (об.). Вместе с тем при высоких давлениях полнота сгорания водорода в КС ограничивается обрывом цепей реакции горения за счет гибели активных частиц в результате тройных столкновений и на охлаждаемых стенках КС, а также рядом других механизмов [27, 28]. Кроме того, в результате гидродинамических и тепловых процессов в КС в зону реакции горения может поступать избыточный поток ее продукта — водяного пара, что приведет к сдвигу реакции в сторону исходных компонентов, т.е. к недогоранию водорода. К такому эффекту, как показано в [24, 25, 29], может привести охлаждение стенок КС вдувом пара, подача пара в зону горения вместе с компонентами топлива или избыточная подача воды в КС. Эти эффекты особенно существенны для близких к стехиометрическому составу топливно-окислительных композиций.
— Обеспечение стабильной работы огневого блока при экстремальных тепловых нагрузках на его элементы накладывает дополнительные, в ряде случаев весьма жесткие, требования к системе охлаждения стенок КС, в особенности при работе парогенератора в частичных режимах. Поскольку весь охлаждающий стенки КС компонент (вода) смешивается с продуктами сгорания и снижает их температуру, его расход определяется требуемыми параметрами пара на выхлопе парогенератора и при снижении мощности должен уменьшаться, что может привести к возникновению кипения и кризиса теплообмена в системе внешнего охлаждения КС [12].
— Высокая скорость диффузии молекул в водо-родокислородных смесях и широкие пределы воспламенения приводят к тому, что фронт активного диффузного горения в КС располагается ближе к форсуночной головке, чем в случаях с другими топливами. Это ведет к большим тепловым нагрузкам на огневую стенку КС. В процессах смешения компонентов и турбулентного горения в КС могут возникать обратные вихри горячих газов, обогащенных кислородом, которые при контакте с горячей огневой стенкой КС способны вызывать активное окисление металла и ее
разрушение. Конструкция смесительной головки КС и расположение форсунок должны обеспечивать исключение таких процессов.
— Наконец, следует отметить, что возможность анализа и расчета процессов в аппаратах различных размеров (классов тепловой мощности) на основе гидродинамического и теплового подобия процессов в КС и использования результатов экспериментов с Н2/О2-парогенераторами киловатт-ного класса мощности при создании аппаратов мегаваттного класса весьма ограниченна. Поэтому надежные результаты могут быть получены только посредством экспериментальных исследований с использованием модельных устройств соответствующего размера.
В настоящей статье представлены результаты экспериментальных исследований, направленных на решение этих задач и создание экспериментальных образцов водородокислородных парогенераторов мегаваттного класса мощности.
ТЕХНИКА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
На предыдущем этапе разработок ОИВТ РАН были созданы экспериментальный Н2/О2-пароге-нератор модели 10М тепловой мощностью до 18 МВт, работающий на газообразном водороде и жидком кислороде, со смесительным элементом с соосноструйными форсунками, обеспечивающим в этих условиях хорошее смешение компонентов и полноту сгорания водорода, а также Н2/О2-парогенератор модели 20К тепловой мощностью 20—100 кВт, работающий по схеме топли-вообеспечения газ—газ, [20, 21]. В дальнейшем для работы на газообразных компонентах водорода и кислорода потребовалось перейти к смесительным элементам с пересекающимися струями, обеспечивающим в этом случае наилучшее смешение при минимальной длине камеры сгорания, и к двухкаскадной схеме подачи балластировоч-ного компонента — воды — в камеру испарения и смешения. Для выполнения этих исследований создан экспериментальный Н2/О2-парогенератор модели 25М, работающий по схеме топливообес-печения газ—газ, тепловой мощностью до 25 МВт [22, 30]. Расчетные параметры экспериментального парогенератора приведены в табл. 1, его внешний вид на экспериментальном стенде ОАО КБХА представлен на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид водородокислородного парогенератора тепловой мощностью до 25 МВт на экспериментальном стенде ОАО КБХА.
Огневой блок экспериментального водородокислородного парогенератора [30] составляют следующие основные элементы (рис. 1).
1) Запальное устройство (ЗУ), представляющее собой малорасходную форкамеру с электроискровым инициированием воспламенения смеси, работающую на тех же компонентах топлива, что и основной агрегат, — на газообразных кислороде и водороде. В нем вырабатывается запальный факел, который осуществляет воспламенение топлива в камере сгорания огневого блока [31].
2) Смесительный элемент (огневая стенка КС), в котором расположены форсунки подачи компонентов топлива и форсунки подачи воды на завесное охлаждение КС [30, 32]. Для выполнения экспериментальных исследований разработаны и изготовлены четыре типа смесительных элементов (СЭ) конструкции ОИВТ РАН с различными геометрическими характеристиками и типами форсунок: со струйными форсунками с пересекающимися струями водорода и кислорода
под углом 9, со струйными форсунками с пересекающимися струями водорода и кислорода под углом 9/2 и уменьшенными диаметрами форсунок кислорода, со струйными форсунками с пересекающимися струями водорода и кислорода под углом 9/2 и дополнительными периферийными форсунками водорода, а также — конструкции ОАО КБХА с соосноструйными форсунками специальной конфигурации [33].
3) Камера сгорания, представляющая собой цилиндр длиной 295 мм и внутренним диаметром 80 мм с охлаждаемыми стенками и сужающимся соплом на выходе, обеспечивающим более полное смешение продуктов сгорания с балластиро-вочной водой. Этот элемент является самым теп-лонапряженным (тепловые потоки в стенки достигают 15 МВт/м2) и от него в большей степени зависит ресурс и надежность работы всей установки. Камера сгорания состоит из жаровой трубы (из бронзы БрХ-08), размещенной в прочном стальном корпусе и охлаждаемой наружным кон-
Рис. 3. Схема диагностики и подачи основных компонентов экспериментального блока водородокислородного парогенератора: ДД1—ДД10 — датчики давления; ДТ1, ДТ2 — датчики температуры; К1—К19 — электропневмоклапаны; ДРН1—ДРН14 — дроссельные шайбы.
вективным потоком воды в каналах системы охлаждения и орошением внутренней поверхности балластировочной водой. Из системы наружного охлаждения вода поступает в камеру испарения, формируемая орошением пленка воды на внутренней поверхности практически полностью испаряется в КС. За счет разделения потоков охлаждающей воды на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.