Водородно-кислородные парогенераторы



Водородо-кислородные парогенераторы, отличающиеся компактностью, высокой маневренностью и эффективностью являются ключевым элементом дальнейшего развития  паротурбинных энергоустановок. Путем сжигания стехиометрической смеси водорода с кислородом с  использованием пара или воды в качестве балласта они производят высокотемпературный (до 1500 oC) пар высокого давления (до 70 атм), что позволяет обеспечивать высокий КПД утилизации водорода (60% и выше). Эти экспериментальные устройства были разработаны и созданы в ОИВТ РАН совместно с  ОАО «КБ Химавтоматики» и РНЦ им. Келдыша. Проект поддерживается Федеральным агентством по науке и инновациям.

Ключевая проблема: создать высокотемпературные парогенерирующие устройства высокого давления работающие на стехиометрической смеси водорода и кислорода. H2/O2 парогенераторы  позволят использовать водород с высоким КПД на уровне мощностей недоступном топливным элементам, а также повысить КПД традиционных паровых энергоустановок с минимальными капитальными затратами.

Технологию H2/O2 парогенераторов можно гибко использовать в различных  термодинамических циклах с уже существующими и перспективными типами паровых турбин.

Их важным преимуществом является отсутствие жестких ограничений по температуре перегретого пара по сравнению с традиционными парогенерирующими устройствами, которые ограничены прочностными характеристиками конструкционных материалов  паровых котлов и паропроводов (540-560 ОС). Это позволяет использовать их для модернизации уже существующих энергоустановок в качестве надстроек для дополнительного перегрева пара.

Термодинамический цикл энергоустановки с присоединенным парогенератором. Модернизация уже существующего оборудования позволяет повысить КПД станции с небольшими капитальными затратами при высоком КПД использования водорода (желтый), разработка новых паровых турбин и систем регенерации позволит существенно увеличить КПД энергоустановок (розовый).

Например, современные паровые турбины имеют примерно 10%-ный запас по мощности, что позволяет с помощью минимальных капиталовложений путем подключения H2/O2 парогенератора к турбине добиться роста КПД энергоустановки, при этом и турбина, и генератор в дорогостоящей модернизации не нуждаются.

H2/02 парогенераторы могут быть использованы при создании водородных систем аккумулирования энергии и покрытия неравномерности графика нагрузки на электростанции. В такой системе основной парогенератор работает в наиболее эффективном базовом режиме с минимальными выбросами, в часы провала графика нагрузки осуществляется наработка кислорода и водорода путем электролиза, а в часы пика — получение добавочной мощности в присоединенной энергоустановке с H2/02 парогенератором, дополнительно перегревающей пар перед цилиндрами высокого и/или среднего давления турбины. Коэффициент рекуперации электроэнергии в такой системе может составить 40-50%, а в перспективе — до 60%. На модернизируемых и вновь строящихся АЭС использование присоединенных H2/02 парогенераторов позволяет наиболее эффективно реализовать давнюю идею о дополнительном перегреве пара перед турбиной с целью повышения КПД и удельной мощности. Поскольку парогенераторы АЭС производят слабоперегретый или насыщенный пар, включение в схему H2/O2 парогенератора позволит осуществлять заданный перегрев пара, заменив турбины на насыщенном паре на более эффективные и надежные турбины на перегретом паре. Компактные и мощные водородные парогенерирующие агрегаты могут быть использованы в качестве ресурса высокоперегретого пара и парогазовых смесей при разработках и реализации новых энергоэффективных технологических процессов переработки углей, нефти, газа и биомассы, а также при создании автономных систем энергообеспечения промышленных предприятий, использующих водород и водородосодержащие газы в цикле производства продукции.



По результатам испытаний экспериментальных изделий и исследований процессов генерации пара в различных режимах разработаны предложения и программа разработки опытно-промышленных образцов. Реализация этого проекта позволит обеспечить лидерство России в создании эффективных, безопасных и экологически чистых новых энергетических технологий.

Характеристики экспериментальных парогенераторов

Модель Тепловая мощность Параметры пара
Т, K Р, МПа
20 K 20-100 кВт 1100 0,5
100 K 100-150 кВт 1000 4
10 M 10-20 МВт 1200 5
25 M 25-30 МВт 1200 7

Преимущества H2/O2 парогенераторов

H2/O2 парогенераторы Традиционные парогенерирующие устройства (уголь, мазут, ПГ/воздух)
Очень высокая: 1000-1500 °C Максимальная температура пара Средняя: 535-600 °C
Прямая, перемешиванием Передача тепла рабочему веществу Непрямая, через стенку
98-99,5% КПД 90-94 %
Не более:  10-3 м3/МВт Размеры устройств Не менее: 100 м3/МВт
Очень высокая: 103 МВт/м3 Тепловая мощность на единицу объема Средняя: 0.1 —  1 МВт/м3
200 °C — водяное пленочное охлаждение

500-1000 °C — охлаждение паром

Температура на стенках 600-850 °C
Быстрый: 50 сек Старт Очень медленный: 10 000 сек
Очень быстрая: < 1 сек Смена нагрузки на 50% Медленная: 500 сек
НЕТ Загрязнения CO2, NOx, SOx, пыль и т.д.