Концепція модернізації проточної частини парової турбіни серії K-300 для переходу на ультра-суперкритичні параметри пари

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2025.02.006
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 28, № 2, 2025 (червень)
Сторінки 6–16

 

Автор

Р. А. Русанов, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: roman_rusanov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0003-2930-2574

 

Анотація

У статті запропоновано концепцію модернізації проточної частини парової турбіни серії К-300 для переходу на ультра-суперкритичні параметри. Вперше у світі запропоновано/ представлено петльову схему з двоярусними лопатками проточної частини парової турбіни. Проведено вибір основних параметрів турбіни, таких, як тиск і температура на вході до циліндра високого тиску (ЦВТ), температура проміжного перегріву, температура і масова витрата на виході з циліндра низького тиску. Турбіна розрахована для роботи з початковими параметрами свіжої пари тиском 35 МПа і температурою 700 °С з проміжним перегріванням пари до 700°С. Здійснена розбивка проточної частини на циліндри з попередньою оцінкою кількості ступенів ЦВТ і циліндра середнього тиску (ЦСТ) і визначенням їх осьових розмірів. Обґрунтована доцільність використання петльової схеми із застосуванням двоярусних лопаток у ЦВТ і ЦСТ, проведена розбивка теплових перепадів по ступенях. Визначено основні геометричні характеристики ступенів ЦВТ і ЦСТ з урахуванням петльової схеми і двоярусних лопаток. Розроблено тривимірну модель і здійснено розрахунок течії проточних частин турбін. Отримані результати показують високий внутрішній ККД нових проточних частин ЦВТ і ЦСТ – 94,18% та 94,5% відповідно, що дозволить збільшити ККД енергоустановки до 49,2% та забезпечить приріст потужності на 80,64 МВт.

 

Ключові слова: парова турбіна, ультра-суперкритичні параметри пари, газодинамічна ефективність, математичне моделювання, проточна частина.

 

Література

  1. Базеев Е. Т., Билека Б. Д., Ваcильев Е. П., Варламов Г. Б., Вольчин И. А., Дашкиев Ю. Г. Энергетика: история, настоящее и будущее. Развитие теплоенергетики и гидроэнергетики. Киев: ООО «Редакция «Энергетика: история, настоящее и будущее», 2011. 400 с.
  2. Mysak S., Kuznetsova M., Martynyak-Andrushko M. Switching 300 MW power-generating units with gas-and-oil-fired boilers to increased load mode. Energy Engineering and Control Systems. 2021. Vol. 7. No. 1. P. 32–37. https://doi.org/10.23939/jeecs2021.01.032.
  3. Campbell R. J. Increasing the efficiency of existing coal-fired power plants. In: Phillips S. (ed). Coal-Fired Power Plants: Efficiency Improvement Options. New York: Nova Science Publishers, pp. 77–111.
  4. Шубенко О. Л., Сенецький О. В., Бабенко О. А. Підвищення ефективності паротурбінних установок різної потужності. Східно-європейський журнал передових технологій. 2014. Т. 2. № 8 (68). С. 13–19. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2014.23387.
  5. Kostikov A. O., Shubenko O. L., Subotin V. H., Senetskyi O. V., Tarasova V. O., Holoshchapov V. M., Babak M. Yu. Principal modernization solutions for a 300 MW power unit to be converted to operate at ultra-supercritical steam parameters. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2021. Vol. 24. No. 4. P. 38–49. https://doi.org/10.15407/pmach2021.04.038.
  6. Feng W. 1000 MW ultra-supercritical turbine steam parameter optimization. Frontiers of Energy and Power Engineering in China. 2008. Vol. 2. P. 187–193. https://doi.org/10.1007/s11708-008-0030-5.
  7. Tramošljika B., Blecich P., Bonefačić I., Glažar V. Advanced ultra-supercritical coal-fired power plant with post-combustion carbon capture: Analysis of electricity penalty and CO2 emission reduction. Sustainability. 2021. Vol. 13. Iss. 2. Article 801. https://doi.org/10.3390/su13020801.
  8. Steam turbines from 10 kW to 1,900 MW. Siemens-Energy AG: official website. 2025. https://www.siemens-energy.com/global/en/home/products-services/product-offerings/steam-turbines.html.
  9. Steam turbine services for steam plants. GE Vernova: official website. 2025. https://www.gevernova.com/steam-power.
  10. Steam turbines. Mitsubishi Power, Ltd: official website. 2025. https://power.mhi.com/products/steamturbines.
  11. Steam turbine. JSC “Ukrainian Energy Machines”: official website. 2025. https://ukrenergymachines.com/en/map.
  12. Purgert R., Shingledecker J., Saha D., Thangirala M., Booras G., Powers J., Riley C., Hendrix H. Materials for advanced ultrasupercritical steam turbines: Final technical report DE-FE0000234. 2015. 535 p. https://doi.org/10.2172/1243058.
  13. Wang B., Zhao Y. Z. Quantitative analysis of energy consumption for cylinder efficiency of a Shanghai electric – siemens ultra-supercritical 660 MW steam turbine unit. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. Vol. 188. Article 012090. https://doi.org/10.1088/1755-1315/188/1/012090.
  14. Di Gianfrancesco A. New Japanese materials for A-USC power plants. In: Di Gianfrancesco A. (eds.) Materials for Ultra-Supercritical and Advanced Ultra-Supercritical Power Plants. Woodhead Publishing, 2017. P. 423–468. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100552-1.00013-0.
  15. Атаки на енергетичну інфраструктуру України: шкода цивільному населенню. Бюлетень моніторингової місії ООН з прав людини в Україні. 2024. 17 с. https://ukraine.un.org/sites/default/files/2024-10/UKR%20Attacks%20on%20Ukraine%E2%80%99s%20Energy%20Infrastructure-%20%20Harm%20to%20the%20Civilian%20Population.pdf.
  16. Черноусенко О. Ю., Риндюк Д. В., Пешко В. А. Оцінка залишкового ресурсу та подовження експлуатації парових турбін великої потужності (частина 3): монографія для науковців та докторів філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». Київ: НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського», 2020. 297 с.
  17. Kostikov A. O., Shubenko O. L., Tarasova V. O., Yakovliev V. A., Mazur A. O. Ways of TPP power units modernization during their conversion to ultra-supercritical steam parameters. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2023. Vol. 26. No. 4. P. 6–16. https://doi.org/10.15407/pmach2023.04.006.
  18. Rusanov A., Subotin V., Shvetsov V., Rusanov R., Palkov S., Palkov I., Chugay M. Application of innovative solutions to improve the efficiency of the LPC flow part of the 220 MW NPP steam turbine. Archives of Thermodynamics. 2022. Vol. 43. No. 1. P. 63−87. https://doi.org/10.24425/ather.2022.140925.
  19. Rusanov R., Subotin V. Rusanov A., Shvetsov V., Palkov S., Palkov I., Chugay M. Application of innovative solutions to improve the efficiency of the low-pressure cylinder flow part of a 1000 MW steam turbine for nuclear power plant. Archives of Thermodynamics. 2024. Vol. 45. No. 4. P. 141‒152. https://doi.org/10.24425/ather.2024.152003.
  20. Rusanov A., Rusanov R., Klonowicz P., Lampart P., Żywica G., Borsukiewicz A. Development and experimental validation of real fluid models for CFD calculation of ORC and steam turbine flows. Materials. 2021. Vol. 14. Iss. 22. Article 6879. https://doi.org/10.3390/ma14226879.
  21. Baietta L., Alshammari M., Pesyridis A., Gohil D. Design of an axial turbine for highly downsized internal combustion engines. Applied Sciences. 2020. Vol. 10. Iss. 17. Article 5935. 41 p. https://doi.org/10.3390/app10175935.
  22. Русанов А. В., Русанов Р. А., Дегтярьов К. Г., Пальков С. А., Пальков І. А., Крютченко Д. В. Проточна частина парової турбіни петльового типу для роботи на ультра-суперкритичних початкових параметрах пари. Патент на корисну модель № 156077, МПК: F01D25/30, опубліковано 08.05.2024, бюл. № 19/2024.
  23. Ершов С. В. Квазимонотонная ENO схема повышенной точности для интегрирования уравнений Эйлера и Навье-Стокса. Математическое моделирование. 1994. Т. 6. № 11. С. 58–64.
  24. Menter F. R. Two-equation eddy viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal. 1994. Vol. 32. No. 8. P. 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149.
  25. Rusanov A. V., Lampart P., Pashchenko N. V., Rusanov R. A. Modelling 3D steam turbine flow using thermodynamic properties of steam IAPWS-95. Polish Maritime Research. 2016. Vol. 23. Iss. 1. P. 61–67. https://doi.org/10.1515/pomr-2016-0009.
  26. Rusanov R. A., Rusanov A. V., Kriutchenko D. V., Bykov Yu. A., Degtyarev K. G. Computer modeling temperature and strength characteristics of an ultra-supercritical loop-type steam turbine rotor. Bulletin of V. N. Karazin Kharkiv National University. Series “Mathematical modelling. Information technology. Automated control systems”. 2024. Vol. 64. P. 86–99. https://doi.org/10.26565/2304-6201-2024-64-08.
  27. Русанов А. В., Русанов Р. А., Дегтярьов К. Г., Пальков С. А., Пальков І. А., Крютченко Д. В., Биков Ю. А. Система охолодження лопаток ротора турбіни петльового типу. Патент на корисну модель № 156085, МПК: F01D5/18, опубліковано 08.05.2024, бюл. № 19/2024.

 

Надійшла до редакції 25.03.2025

Прийнята 15.04.2025