Эксплуатация электростанций, работающих при сверхкритических параметрах

Опыт эксплуатации электростанций, работающих при сверхкритических параметрах, и опыт применения других передовых технологий

Мураяма Х., Секита М.
Электрик Поуер Девелопмент Ко., Лтд. (EPDC) - Tachibana TPS, Япония

После нефтяного кризиса Япония стала активно увеличивать мощность угольных электростанций для обеспечения энергетической безопасности и экономичности. Однако работающие на каменном угле энергетические установки уступали в эффективности энергоустановкам, работающим на жидком топливе и природном газе. Для угольных энергоустановок характерны большие выбросы частиц золы, оксидов серы и азота. При их работе нужно тратить больше вырабатываемой электроэнергии на природоохранное оборудование и подачу угля. Важной задачей поэтому стало повышение КПД угольных энергоустановок.
Помимо этого, принятие в декабре 1997 г. в Киото на Всемирной конференции (СОР3) Протокола по сохранению нынешних климатических условий на Земле стимулировало развитие движения за сокращение выбросов углекислого газа. Критически настроенная общественность отметила, что углесжигающие электростанции являются одним из крупных источников углекислого газа. Поэтому актуальность повышения КПД угольных электростанций еще более возрастает.
Научно-исследовательские, опытно-конструкторские и технологические работы по повышению эффективности традиционных энергоустановок, работающих на угольной пыли, начались 20 лет назад. Примерами достижений в этом направлении являются технологии использования сверхкритического давления и применения еще более высоких сверхкритических параметров пара. Эта технология уже подтвердила высокие показатели на новейшей мощной сжигающей уголь электростанции бухты Татибана (1050 МВт, 25 МПа, 600°С, 610°С).
Наряду с этим направлением для повышения эффективности угольных электростанций разрабатываются и создаются парогазовые опытные установки, реализующие процессы сжигания угля под давлением в топках с кипящим слоем [(PFBC - Pressurized Fluidized Bed Combustion Combined Cycle) русское обозначение ПГУ с КСД], и внутрицикловые - со сжиганием газификационного угля [(IGCC - Integrated Coal Gasification Combined Cycle) русское обозначение ПГУ с ГФ]. В Японии уже эксплуатируются промышленные установки PFBC. Компания EPDC занимается усовершенствованием этого процесса для улучшения экологических, эксплуатационных и экономических показателей.
В настоящей статье представлены положение дел с разработкой и внедрением суперкритических параметров (ССКД) и технические достижения в разработке технологии, а также общие сведения о новейшей угольной электростанции, эксплуатируемой EPDC.

Разработка ССКД.

Начало и задачи разработки.

Сверхкритические параметры пара начали применяться на тепловых электростанциях Японии в 1967 г. Почти 20 лет эти параметры практически держались на уровне 24,1 МПа, 538/538°С или 538/566°С.
Первая энергоустановка с суперсверхкритическими параметрами пара (суперсверхкритическими параметрами называются давление и температура, превышающие 24,1 МПа и 593°С) начала работать в США еще в 1957 г. За следующие 10 лет было введено еще несколько блоков с аналогичными параметрами. На них наблюдались коррозия при высоких температурах и окисление в паровой среде, препятствовавшие стабильной работе и вынуждавшие эксплуатировать построенные установки при пониженных параметрах пара. По этой причине и из-за экономических проблем строительство энергоустановок с суперкритическими параметрами пара было прекращено.
Нефтяной кризис возродил приостановившееся стремление к повышению КПД угольных электростанций путем повышения параметров пара. К этому времени производители материалов для энергооборудования успели разработать и выпустить коррозионно-устойчивые стали с достаточно высокими прочностными и экономическими показателями, что помогло создать промышленные электростанции, работающие с суперкритическими параметрами пара.

Рис. 1. Условия работы труб четвертого пакета пароперегревателя:
1 - толщина стенки труб из стали SUS304J1HTB; 2 - то же из стали SUS321J1HTB; 3 -напряжение стали SUS321J1HTB; 4 - то же стали SUS304J1HTB; · - расчетная точка; Мацуура № 1, Мацуура№ 2 - котлы энергоблоков №1,2 ТЭС Мацуура; Бухта Татибана № 1 - котел энергоблока № 1 ТЭС бухты Татибана; А - для этой точки наружный диаметр труб энергоблока № 2 ТЭС Мацуура одинаков с диаметром труб энергоблока № 1 ТЭС бухты Татибана

1. Роторы турбин, работающих со сверхкритическими параметрами пара, традиционно изготавливаются из стали CrMoV. Но для работы при температуре выше 593°С необходима сталь, температурная прочность которой выше. Вообще от материалов турбин для работы при суперкритических параметрах пара требуется высокая прочность на разрыв в условиях ползучести, так как на их лопатки действуют центробежные силы, а корпуса и другие неподвижные детали испытывают длительные напряжения, вызванные высоким внутренним давлением высокотемпературного пара.

В металле деталей турбины возникают также тепловые напряжения при пуске и останове из-за изменения температуры пара. Для уменьшения их нужны материалы с небольшим коэффициентом теплового расширения и большим коэффициентом теплопроводности.
Для уменьшения повреждаемости под действием тепловых напряжений материалы должны иметь высокие предел текучести и усталостную прочность при низких температурах.
Кроме того, требуются хорошая свариваемость различных материалов, стойкость к хрупкому излому и надежность арматуры, работающей при высоких температурах и давлениях.

1. Повышение параметров пара связано с увеличением толщины стенок труб, работающих под высоким давлением. Это имеет негативную сторону - увеличение массы котлов и снижение маневренности (способности быстро воспринимать изменения нагрузки).

Рис. 2. Условия работы труб главного паропровода:
1 - толщина стенки труб из стали STPA28(SCMV28); 2 - то же из стали STPA27; 3 - напряжение стали STPA27; 4 - то же стали STPA28(SCMV28); ● - расчетная точка

Для повышения обычных сверхкритических параметров пара необходимо решить ряд задач, касающихся турбин и котлов.
Пароперегреватель (в частности, его высокотемпературные пучки) работает в особо тяжелых условиях. Необогреваемые трубы большого диаметра, расположенные вне теплообменной зоны, должны обладать прочностью под высоким давлением. При этом, если увеличивать толщину их стенок, прочность увеличивается, зато растут тепловые напряжения, вызываемые разностью температуры между наружным и внутренним пространствами трубы при изменении нагрузки. Следовательно, необходимы теплоустойчивые высокопрочные материалы высокого качества.
Материалы парогенерирующих труб должны иметь хорошие показатели высокотемпературной прочности и устойчивости к окислению в паровой среде.

Таблица 1
Материалы деталей турбины и паропровода, использованные на испытаниях в фазе 1