ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫХ УСТАНОВОК

TYPES AND DESIGNS OF HYDROGEN-OXYGEN PLANTS

Ekaterina Chekashova

Student, Department of Economics and Organization of Production Kazan State Power Engineering University

Russia, Kazan

Igor Maslov

Scientific supervisor, candidate of Sciences in Technical, associate professor, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматриваются основные типы и конструкции существующих водородно-кислородных установок (ВКУ): парогенераторы, паро- воздухонагреватели. Рассмотрены основные проблемы, связанные с эксплуатацией данных установок.

ABSTRACT

This paper discusses the main types and designs of existing hydrogen-oxygen plants (VCU): steam generators, steam-air heaters. The main problems associated with the operation of these installations are considered.

Ключевые слова: водородно-кислородная установка, пароперегреватель, воздухонагреватель.

Keywords: hydrogen-oxygen plant, superheater, air heater.

Сегодня можем наблюдать тенденцию увеличения доли альтернативных источников энергии в общей энергетике. Наиболее перспективным представляется развитие водородных технологий. Однако развитие данного направления энергетики требует существенных инвестиций и должной государственной поддержки. На данный момент наша страна не обладает достаточным объемом производственных мощностей, необходимых для поставок энергетических установок, работающих на водороде, производство и хранение самого водородного топлива также является нерешенной проблемой. Данные факторы наталкивают на вопрос о целесообразности увеличения доли водородной энергетики. Однако на данный момент хорошо известны и освоены технологии использования водородно-кислородных установок, развитие данного направления использования водорода позволит решить проблему использования водородных технологий в области больших мощностей.

Технологии сжигания водорода в кислороде позволяют получить высокотемпературный водяной пар и воздух, установки, работающие на данном принципе, имеют высокую удельную мощность и не вредят окружающей среде при работе. Высокая скорость сгорания и теплопередачи и минимальное время запуска и достижения необходимого режима дают возможность рассматривать данные установки как резервные источники энергии.

ВКУ можно классифицировать по следующим критериям: типу балластировочного компонента, технологий, используемых при создании камер сгорания, способу смешивания кислорода и водорода.

Балластировочные компоненты делят на следующие основные типы: водородно-кислородные (ВК) пароперегреватели и парогенераторы, ВК воздухонагреватели. Выбор балластировочного компонента зависит от области применения ВКУ. Использование воды и пара ВКУ дает в качестве конечного продукта перегретый пар, который можно использовать в качестве рабочего тела для паровой турбины, если используется воздух, то конечным продуктом служит нагретый до определенной температуры воздух, который можно использовать в газовой турбине.

Технологии, используемые для создания камеры сгорания ВКУ, делятся на два типа: технологии ракетостроения и технологии газотурбостроения. Ракетные технологии при конструировании камеры сгорания использовались в России и Германии, технологии газотурбостроения были реализованы в Японии.

Из особенностей образцов, созданных по технологии ракетостроения можно выделить следующие:

- в качестве охладителя и балластировочного компонента используется вода;

- диапазон мощностей созданных моделей: от 20 кВт до 40 МВт;

- минимальный недожог топлива;

удельная мощность достигает 100 МВт(т)/м³;

- возможность использования окислителя как в жидком, так и в газообразном состояниях.

При создании данных образцов использовались высокоточные станки и относительно дорогие материалы, такие как бронза, жаропрочная сталь. Помимо этого стоит отметить, что высокий уровень тепловых напряжений в наиболее теплонапряженных узлах снижают срок эксплуатации данных установок.

КВУ, созданные в Японии по технологиям газотурбостроения, имеют свои особенности:

- ресурс работы установки определяется ресурсом работы газотурбинной камеры сгорания;

- прототипом камеры сгорания послужила штатная камера сгорания газовой турбины;

- охладителем и балластировочным компонентом является водяной пар;

- время запуска и выхода на рабочий режим определяется скоростью поступления в камеру сгорания необходимого уровня расхода водяного пара, охлаждающего стенки камеры сгорания.

У данной технологии производства ВКУ существуют следующие отрицательные стороны: недостаточная проработанность камеры сгорания, из-за чего полнота сгорания топлива зависит от режима работы установки. Это связано с тем, что реакция сгорания происходит при избыточном количестве водяного пара, который также является продуктом реакции, а значит замедляющем реакцию (ингибитор реакции), когда как в обычных газовых турбинах процесс сжигания происходит при избыточном количестве окислителя реакции (воздуха). Помимо этого для запуска установки необходимо подведение пара при определенном давлении и температуре, что делает процесс эксплуатации более сложным, а само использование менее выгодным ввиду уменьшения области применения [1, 2].

Таким образом, на сегодняшний день наиболее выгодным для создания и дальнейшей модернизации водородно-кислородных установок служат технологии ракетостроения. Образцы, созданные по данным технологиям, имеют более высокий коэффициент сгорания водорода, более компактные размеры, меньшее время запуска и выхода на рабочий режим.

Список литературы:

1. Водородно-кислородные установки для энергетики / А. И. Счастливцев, Д. О. Дуников, В. И. Борзенко, Д. П. Шматов // Теплофизика высоких температур. – 2020. – Т. 58, № 5. – С. 809-822. – DOI 10.31857/S0040364420050087. – EDN LLPDXX.
2. Борзенко, В. И. Эффективность генерации пара в водородно-кислородном парогенераторе киловаттного класса мощности / В. И. Борзенко, А. И. Счастливцев // Теплофизика высоких температур. – 2018. – Т. 56, № 6. – С. 1011-1018. – DOI 10.31857/S004036440003574-5. – EDN YSBQRF.