Теплоэнергетика, 2022, № 4, стр. 41-53

СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК СО₂-ЭУ ЗА РУБЕЖОМ. ОПЫТНО-ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ СО₂-ЭУ

Преимущества sCО₂-цикла обусловили повышенный интерес в развитых странах к исследованиям в области создания высокоэффективных СО₂-ЭУ разной мощности и назначения. Данное направление активно разрабатывается, как правило, при участии государственного сектора и включает в себя составление государственных программ, адресное бюджетное финансирование, выполнение части НИОКР силами национальных лабораторий и НИИ, планирование и контроль выполнения работ.

Известно, например, что в разработке национальных программ исследований по созданию СО₂-ЭУ в США задействованы все три офиса (департамента) Национальной лаборатории энергетических технологий NETL при Минэнерго США – по возобновляемой, тепловой и атомной энергетике. В реализации программ принимают участие крупнейшие национальные лаборатории и НИИ: Аргоннская национальная лаборатория (ANL), Нользская лаборатория ядерной энергетики (KAPL – Knolls Atomic Power Laboratory), Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL), Сандийские национальные лаборатории (SNL), Массачусетский технологический институт (MIT), Юго-Западный исследовательский институт (SwRI), НИИ газовых технологий (GTI) и др. Все национальные НИИ и лаборатории оснащены крупными интегрально-испытательными комплексами (Integrated systems test – IST) с высокой вариативностью схем и конфигураций лабораторных установок и технологическим оборудованием.

Тем не менее, дистанция, которую предстоит пройти по пути создания и доработки СО₂-ЭУ до уровня, пригодного для промышленного использования на объектах энергетики, все еще весьма велика. Не случайно в последние годы исследования вышли на новый этап – строительство опытно-демонстрационных СО₂-ЭУ более высокой мощности, чем лабораторные установки. Можно отметить ОД СО₂-ЭУ мощностью 10 МВт, ввод в опытную эксплуатацию которой запланирован на начало 2022 г. в г. Сан-Антонио, США. Ее проект разработан в рамках реализации национальных программ SunShot и Supercritical Transformation Electric Power (STEP).

Создание ОД СО₂-ЭУ с газовым котлом является необходимым условием и неотъемлемой частью разработки и постановки на производство оборудования силовой части (СЧ) СО₂-ЭУ разной мощности и для разных областей применения. Мощность ОД СО₂-ЭУ экономически целесообразно определить на минимальном уровне, при котором сохранялся бы высокий рыночный потенциал оборудования силовой части ОД СО₂-ЭУ применительно к промышленному использованию на объектах не только тепловой, но также солнечной и атомной энергетики. Назначение ОД СО₂-ЭУ – экспериментальные исследования в целях отработки оборудования СЧ СО₂-ЭУ, технологии его эксплуатации, решение других частных поисковых и исследовательских задач, испытания изготавливаемого оборудования СЧ (демонстрационные, режимные, сертификационные, гарантийные испытания на соответствие показателей оборудования проектным значениям).

О ПЕРСПЕКТИВАХ ПРИМЕНЕНИЯ СО₂-ЭУ В ЯЭУ С УЧЕТОМ ПОВЫШЕНИЯ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ И СТОИМОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Научных и технических проблем, которые предстоит решить в процессе создания ОД СО₂-ЭУ, много. Главная из них – снижение металлоемкости и стоимости теплообменного оборудования. Пояснение этого обстоятельства возможно на примере анализа целесообразности реконструкции отечественной ЯЭУ с РУ на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем БН-1200 путем замены ее паросиловой установки на СО₂-ЭУ. В базовом проекте подвод тепла к рабочему телу (водяному пару) происходит в парогенераторе, в модернизированном проекте – через теплообменник (ТО) Na_ж/sСО₂ при таких же начальной температуре рабочего тела перед турбиной (510°С) и температуре жидкого натрия (Na_ж) на входе/выходе подогревателя рабочего тела (527/355°С), что и в базовом проекте [3]. Идея такой реконструкции ЯЭУ была вызвана большим количеством зарубежных публикаций, посвященных применению СО₂-ЭУ в ЯЭУ с натриевыми реакторными установками большой мощности.

Известно, что КПД закрытого регенеративного цикла Брайтона зависит от относительных потерь давления в цикле и температурных напоров в низконапорных точках теплообменного оборудования. Чем меньше эти параметры, тем выше КПД цикла. В табл. 2 приведены значения этих параметров в наиболее популярных концептуальных проектах СО₂-ЭУ для ЯЭУ с РУ тепловой мощностью от 250 до 1522 МВт, разрабатывавшихся в разных странах: Astrid (Франция) [4], Kalimer-600 (Корея) [5], AFR-100 (США) [6].

Из приведенных в табл. 2 данных следует, что получение довольно высоких значений КПД цикла в указанных проектах достигается при нереально низких потерях давления и температурных напорах, приводящих к чрезмерному возрастанию площади теплообменных поверхностей и металлоемкости ТО Na_ж/sСО₂ и рекуператоров.

В расчетах для РУ БН-1200 в целях снижения металлоемкости рекуператоров и ТО Na_ж/sСО₂ при заданных температурах Na_ж на входе/выходе ТО Na_ж/sСО₂ (527/355°С) на уровне значений базового проекта было применено двухкаскадное исполнение ОК с промежуточным охладителем СО₂. Относительные потери давления СО₂ были заданы более высокими, чем в указанных проектах. В частности, относительные потери давления sCO₂ только в ТО Na_ж/sСО₂ (без учета потерь в рекуператорах и трубопроводах sCO₂) были заданы равными 1.3%. Суммарные относительные потери давления в тракте ВД составили 2.91%, в тракте НД – 3.33%. Коэффициенты полезного действия компрессоров и турбин были приняты такими же, как в упомянутых зарубежных проектах – в соответствии с данными Американского общества инженеров-механиков (ASME). Минимально допустимое значение температурного напора в температурных точках (на холодных концах рекуператоров) задано равным 10°С.

По результатам оптимизации параметров sCO₂-цикла при давлении и температуре sСО₂ перед турбиной 24.0 МПа и 510°С, температуре СО₂ НД перед ОК и за промежуточным охладителем ОК 32°С КПД цикла составил 43.1%. Это выше, чем в указанных аналогах. Полезная мощность на валу составила 1204.45 МВт. Применение двухкаскадного ОК с промежуточным охладителем позволило снизить оптимальное давление перед ОК до 7.047 МПа (ниже критического), повысить степень расширения sCO₂ в турбине и снизить температуру sCO₂ на входе в ТО Na_ж/sСО₂ до 334.73°С, тем самым увеличить температурный напор на холодном конце ТО Na_ж/sСО₂ до 20.17°С, а также уменьшить тепловую мощность рекуператоров.

На рис. 2 приведена t, Q-диаграмма процесса теплообмена в одном из четырех парогенераторов РУ БН-1200 и в одном из четырех ТО Na_ж/sСО₂. Тепловая мощность каждого парогенератора или ТО Na_ж/sСО₂ составляет 700 МВт, температура греющего теплоносителя Na_ж (1) в парогенераторе или ТО снижается от 527 до 355°С, температура sСО₂ возрастает в ТО Na_ж/sСО₂ с 334.73 до 510°С, температура воды (пара) в парогенераторе повышается от 275 до 510°С [3] (3). Средний температурный напор в ТО Na_ж/sСО₂ оказался более чем втрое меньше, чем в парогенераторе базового проекта. При этом тепловая мощность рекуператоров составила 4358.4 МВт, что в 4.5–5.0 раз выше тепловой мощности регенеративных подогревателей паротурбинной установки базового проекта. Коэффициенты же теплопередачи в ТО Na_ж/sСО₂ и рекуператорах ниже, чем в парогенераторе и регенеративных подогревателях высокого (ПВД) и низкого (ПНД) давлений (прежде всего, в силу принятых ограничений по скоростям потоков в целях снижения потерь давления в трактах по sCO₂ и СО₂ НД). Так, коэффициенты теплопередачи в рекуператорах изменяются в диапазоне 490–730 Вт/(K · м²) в зависимости от температуры, в ПВД и ПНД – в диапазоне 3200–4400 Вт/(K · м²), т.е. они более чем в 5 раз выше. Кроме того, при одинаковой тепловой мощности первичного источника тепла суммарная тепловая мощность рекуператоров СО₂-ЭУ превосходит мощность регенераторов (ПНД и ПВД) паротурбинной установки примерно в 4.7 раза. При этом объемные расходы греющего теплоносителя в рекуператорах более чем на порядок выше, чем в ПВД и ПНД. В итоге, металлоемкость и стоимость теплообменного оборудования, особенно рекуператоров, с переходом на СО₂-цикл многократно увеличиваются. Это основная или, по крайней мере, одна из основных причин снижения экономичности энергоблока ЯЭУ с РУ БН-1200 при переходе на sCO₂.

Рис. 2.

t, Q-диаграмма процесса теплообмена в парогенераторе и ТО Na_ж/sСО₂. 1 – Na; 2 – СО₂; 3 – Н₂О; Q – тепловая мощность рекуператора; t – температура теплоносителя

К числу других факторов, повышающих уровень капитальных и эксплуатационных затрат с переходом на СО₂-цикл, относятся следующие:

недостаточно высокая начальная температура sCO₂ и большая мощность, при которой КПД паротурбинного регенеративного цикла Ренкина с промежуточным перегревом теоретически оказывается выше КПД регенеративного sCO₂-цикла Брайтона с рекомпрессором (особенно если учесть внутрикорпусные протечки СО₂);

трудности в реализации процесса нормированного первичного регулирования частоты и участия в автоматизированном вторичном регулировании частоты в сочетании с поддержанием температуры натрия за ТО Na_ж/sCO₂ на заданном уровне при неизменной тепловой мощности РУ (в паросиловой части таких проблем нет);

сложность исполнения регулирующих клапанов, турбокомпрессорного оборудования, электрогенератора и корпусных конструкций для их размещения, исключающего утечки СО₂ из контура СО₂-ЭУ в машинный зал и попадание машинного масла и/или других рабочих жидкостей в контур СО₂-ЭУ;

дополнительные затраты, связанные со строительством и эксплуатацией углекислотного цеха, включая расходы на восполнение оперативных запасов циклового СО₂ вследствие потерь СО₂ при остановах и пусках, а также при возникновении аварийных утечек СО₂ из контура СО₂-ЭУ в машинный зал или в контур жидкого натрия.

Переход к двухконтурной схеме РУ с натриевым теплоносителем при использовании СО₂, который предполагалось осуществить в двух из вышеуказанных проектов (кроме Astrid) в целях повышения начальной температуры sCO₂, также проблематичен, так как в случае возникновения течи sСО₂ в контур Na_ж будут образовываться твердые осадки (частицы) с высокой температурой плавления – Na₂O, Na₂CO₃ и С (углерод в виде сажи), которые будут засорять тракт охлаждения Na_ж реакторной установки.

Снижение экономичности ЯЭУ с РУ БН-1200 с переходом на sСО₂ не исключает возможности эффективного применения СО₂-ЭУ в ЯЭУ меньшей мощности и с другими теплоносителями, например с жидким свинцом (Pb_ж). Свинец устойчив к наведенной радиоактивности и химически нейтрален по отношению к CO₂, что обеспечивает возможность применения двухконтурной РУ. Расход и температура Pb_ж на выходе ТО Pb_ж/sCO₂ (примерно 420°С) выше, чем у ТО Na_ж/sСО₂, что позволяет увеличить средний температурный напор в ТО при более высокой начальной температуре, чем в ЯЭУ с натриевыми РУ. Со снижением мощности преимущество СО₂-ЭУ в КПД по сравнению с паросиловыми энергетическими установками, как было указано ранее, возрастает. Температура рабочего тела на входе в ТО Pb_ж/sCO₂ выше, чем температура плавления свинца, что также упрощает схему энергоустановки и технологию ее эксплуатации по сравнению с паросиловым вариантом.

В технологической дорожной карте для систем ЯЭУ IV поколения (A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems), разработанной Консультативным комитетом по исследованиям в области ядерной энергии Министерства энергетики США и Международным форумом ЯЭУ IV поколения (U.S. DOE Nuclear Energy Research Advisory Committee and Generation IV International Forum), sCO₂ фигурирует в качестве основного рабочего тела только применительно к проектам ЯЭУ IV поколения с быстрыми реакторами со свинцовым (свинцово-висмутовым) теплоносителем (Lead-cooled Fast Reactor–LFR) [7]. Таковым на сегодня является проект ЯЭУ со свинцовым теплоносителем SSTAR 20 (Small Secure Transportable Autonomous Reactor, США) мощностью 20 МВт [8], где sCO₂-цикл оказывается более предпочтительным по отношению к Н₂О-циклу Ренкина в силу указанных выше преимуществ, компенсирующих увеличение стоимости теплообменного оборудования.

Приведенные соображения относительно важности решения проблемы снижения металлоемкости и стоимости теплообменного оборудования СО₂-ЭУ, изложенные на примере СО₂-ЭУ для ЯЭУ с быстрыми реакторами, в полной мере относятся и к углекислотным энергоустановкам, предназначенным для применения на объектах тепловой и солнечной энергетики.

О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ СОЗДАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ СИЛОВОЙ ЧАСТИ СО₂-ЭУ С РЕКОМПРЕССИНГОМ МОЩНОСТЬЮ 16 МВТ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ОБЪЕКТАХ АТОМНОЙ, СОЛНЕЧНОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Прогнозируемое распределение объемов реализации создаваемых СО₂-ЭУ по возможным областям применения согласно данным [9] следующее, %:

По данным [9] и других зарубежных публикаций наиболее перспективной областью внедрения СО₂-ЭУ малой и средней мощности за рубежом являются солнечные тепловые (гелиотермальные) энергетические установки (СТЭУ) с солнечными концентраторами (гелиостатами) – новое направление развития солнечной энергетики. От классических фотоэлектрических панелей СТЭУ отличаются тем, что прямая составляющая солнечного излучения, отраженного концентраторами в приемник световой энергии (ресивер), используется для нагрева рабочего тела, которое потом совершает работу в теплосиловой части СТЭУ.

В качестве рабочего тела в СТЭУ в настоящее время используют водяной пар. При довольно больших мощностях, позволяющих применить высокие начальные параметры пара и промежуточный перегрев. КПД мощных СТЭУ, размещенных в районах с высокой долей прямого солнечного излучения в суммарном потоке, приходящем на землю, может существенно превышать КПД современных солнечных электростанций с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭС).

Другие преимущества СТЭУ перед ФЭС – более высокий ресурс оборудования, отсутствие проблем с его утилизацией после выработки ресурса и более широкие возможности аккумулирования солнечной энергии. Последнее обеспечено тем, что в СТЭУ, предназначенных для отпуска электроэнергии в электросеть, применяют промежуточные теплоносители – солевые расплавы и другие жидкие теплоносители с высокотемпературным фазовым переходом, которые после нагрева их в ресивере отдают свое тепло рабочему телу. Известно, что в СТЭУ башенного типа промежуточный теплоноситель может быть нагрет до весьма высоких температур (теоретически выше 1000°С). Применение промежуточного теплоносителя с высокотемпературным фазовым переходом при относительно малом его расходе позволяет передавать большое количество тепла и, соответственно, уменьшить его массу в контуре СТЭУ.

В комплект СТЭУ входят накопительные емкости (танки) для хранения жидкого высоко- и низкотемпературного теплоносителя. Это позволяет аккумулировать тепловую энергию в высокотемпературном танке и выдавать электроэнергию длительное время после захода солнца. Так, СТЭУ башенного типа DEWA CSP Tower (высота башни 260 м) с солевым расплавом и паровой турбиной мощностью 100 МВт, намеченная к вводу в эксплуатацию в ноябре 2021 г. (на момент написания статьи) в составе комбинированного комплекса солнечной генерации Mohammed bin Rashid Al Maktoum (г. Дубай, ОАЭ), способна работать на номинальной мощности при нормальных условиях без подвода тепла через ресивер в течение 15 ч. Нормированная стоимость отпускаемой электроэнергии определена на уровне 0.073 дол/(кВт · ч) [10].

Следует отметить, что высокая мощность достигается при большой площади размещения солнечных концентраторов, что экономически оправдано только в малонаселенных засушливых пустынных районах солнечного пояса, малопригодных для интенсивного земледелия. Использование СО₂-ЭУ в СТЭУ позволяет существенно расширить область их применения. При получении высокой начальной температуры рабочего тела (700°С и выше) обеспечивается возможность повышения КПД СТЭУ башенного типа с CO₂-ЭУ малой и средней мощности до уровня СТЭУ с паросиловой частью большой мощности. Умеренные размеры площади размещения гелиостатов и высота башни с ресивером делают СТЭУ малой и средней мощности конкурентоспособными в сравнении с ФЭС применительно к распределенной энергетике. Не случайно основные финансовые вложения США в развитие СО₂-ЭУ осваиваются именно в рамках вышеупомянутой программы SunShot (программы исследований и создания СО₂-ЭУ для СТЭУ). Не менее интенсивные разработки СО₂-ЭУ для СТЭУ ведутся и в других развитых странах (КНР, Япония, страны ЕС и др.).

Следует отметить, что вопрос о перспективах применения СТЭУ в России сегодня является дискуссионным. Превалирует мнение, что на территории России перспективных районов для строительства СТЭУ очень немного. Это объясняют тем, что диффузная составляющая солнечного излучения, которая не может быть сконцентрирована и направлена на ресивер, почти на всей территории России составляет не менее 40–50%, а в районах с влажным климатом достигает 60% и более. Исходя из изложенного, при определении мощности создаваемого оборудования силовой части СО₂-ЭУ следует ориентироваться, главным образом, на зарубежного потенциального потребителя, планирующего использовать это оборудование в СТЭУ малой и средней мощности, т.е. в диапазоне 10–20 МВт.

Что же касается котлотурбинных CО₂-ЭУ, то в зарубежных публикациях их применение рассматривается, в основном, для угольных электростанций большой мощности [11–13]. Принципиальная схема таких CО₂-ЭУ отличается от исходной, показанной на рис. 1, наличием промежуточного перегрева и промежуточного охлаждения СО₂ в ОК либо конденсатора СО₂ НД перед ОК [13] (если внешние условия позволяют переохлаждать отработанный СО₂ НД до температуры 21°С).

Вследствие высокой температуры рабочего тела на входе в котел охлаждение дымовых газов до приемлемой (относительно КПД котла) температуры только за счет нагрева циклового воздуха в регенеративном воздухоподогревателе невозможно без включения в состав оборудования тепловой электростанции (ТЭС) дополнительного потребителя тепла уходящих газов. Таковым в [11] является десорбер системы улавливания СО₂ из дымовых газов абсорбционного типа с использованием моноэтаноламина (C₂H₇NO) в качестве абсорбента. Полученный СО₂ с минимальными дополнительными затратами может быть очищен и доведен до уровня товарной углекислоты, т.е. реализуется комбинированная выработка электроэнергии и товарной углекислоты. Другое решение состоит в применении в качестве потребителей тепла в хвостовой части котла байпасных подогревателей sСО₂, включенных в схему подогрева sCO₂ параллельно одному или обоим рекуператорам [14, 15].

В России, если принять во внимание планируемый перевод всех крупных ТЭС на газовое топливо, более востребованными будут твердотопливные котлотурбинные энергоустановки малой и средней мощности (6–20 МВт), работающие на местном низкокалорийном топливе, в частности на отходах лесозаготовительных, сельскохозяйственных и других предприятий, иловых осадках, а также нетоксичных твердых бытовых органических отходах. В этом качестве твердотопливные котлотурбинные СО₂-ЭУ в связи с целым рядом их особенностей (высокая температура среды сжигания топлива, высокий КПД цикла, возможность комбинированной выработки электроэнергии и товарной углекислоты, дешевое рабочее тело) оказываются более эффективными, чем энергоустановки с другими, в том числе и низкокипящими, рабочими телами.

Практический интерес представляют также исследования по созданию теплоутилизационных СО₂-ЭУ. Они могут быть применены для выработки энергии на тепле высокотемпературных отходящих газов различных технологических процессов и установок, в частности выхлопных газов газотурбинных двигателей (ГТД) в установках комбинированного цикла (УКЦ). Утилизационная СО₂-ЭУ, как правило, не имеет рекомпрессора, но содержит высоко- и низкотемпературную турбины [16]. Мощность и параметры оборудования утилизационной СО₂-ЭУ для УКЦ определяются в зависимости от параметров выхлопных газов ГТД. Преимущество утилизационной СО₂-ЭУ в КПД утилизационного контура по сравнению с паросиловой частью парогазовой установки проявляется в большей степени применительно к ГТУ малой мощности (16–25 МВт). Несмотря на более высокую металлоемкость и стоимость теплообменного оборудования, утилизационные СО₂-ЭУ могут оказаться предпочтительнее паротурбинных аналогов для применения в условиях холодного климата благодаря не только более высокой тепловой эффективности, но и отсутствию риска замерзания рабочего тела в случае аварийного останова и эксплуатационных затрат на водоподготовку и очистку парогенератора от накипи.

Определение мощности СО₂-ЭУ с рекомпрессором и утилизационной СО₂-ЭУ целесообразно выполнить таким образом, чтобы низкотемпературный компрессор СО₂-ЭУ обоих типов был полностью унифицирован. По результатам предварительной оптимизации утилизационного контура УКЦ на базе ГТД с параметрами выхлопных газов (расход, состав, температура) такими же, как у ГТЭ-16ПА производства АО “ОДК-Авиадвигатель”, были определены параметры ОК утилизационной СО₂-ЭУ. Установлено, что мощность СО₂-ЭУ с рекомпрессором и таким же ОК составит примерно 16 МВт, что вписывается в диапазоны мощностей СО₂-ЭУ с рекомпрессором для всех трех приведенных выше областей применения СО₂-ЭУ этого типа.

Таким образом, на основании изложенного можно сделать вывод о том, что по мере решения проблемы снижения стоимости теплообменного оборудования целесообразно создать оборудование силовой части одного типоразмера (с унифицированным ОК), пригодное для использования в СО₂-ЭУ малой мощности на объектах солнечной, атомной и тепловой энергетики.

СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ТЕПЛООБМЕННЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ РЕКУПЕРАТОРОВ ОПЫТНО-ДЕМОНСТРАЦИОННОЙ СО₂-ЭУ

Исходя из новизны создаваемой ОД СО₂-ЭУ, для разработки проектной и конструкторской документации следует подготовить и провести экспериментальные исследования в объеме, необходимом для решения первоочередных проблемных задач, возникающих на начальных этапах проектирования. В первую очередь, речь идет о создании стенда для испытаний и отработки технологии изготовления теплообменных модулей (ТОМ), из которых будут набраны поверхности теплообмена рекуператоров ОД СО₂-ЭУ путем их параллельного включения в конструкцию рекуператоров по трактам sCO₂ и СО₂ НД. Такое решение позволяет проводить испытания не всего рекуператора, а только его части с соответствующим сокращением расходов sCO₂ и СО₂ НД (в 17–20 раз), а следовательно, и снижением металлоемкости и стоимости изготовления опытных образцов, мощности нагнетателей, тепловой мощности первичных источников тепла, обеспечивая, таким образом, решение первоочередных задач с минимальными стоимостными и временными затратами.

Разработана принципиальная тепловая схема стендовой установки для испытаний ТОМ низко- и высокотемпературного рекуператоров, выполненной с возможностью варьирования расходов sCO₂ и СО НД через ТОМ в достаточно широком диапазоне, позволяющая довольно точно смоделировать условия работы рекуператоров в схеме ОД СО₂-ЭУ и по результатам проведения испытаний ТОМ решить следующие задачи:

верификацию расчетных методик и программных кодов, используемых для выполнения комплекса теплогидравлических и прочностных расчетов при проектировании ТОМ;

выбор материалов для изготовления ТОМ;

выбор конфигурации поверхностей нагрева, а также типа ТОМ в консервативном и инновационном вариантах исполнения с использованием компактных микроканальных ТО (МКТО) в целях повышения эффективности теплопередачи и снижения габаритов, металлоемкости и стоимости теплообменного оборудования;

экспериментальную отработку конструкции коллекторов, трубных досок, компенсаторов термических деформаций;

определение допускаемых скоростей изменения теплового состояния;

исследование влияния температурной неравномерности и разброса температуры на входах/выходах параллельных трубок (микроканалов) ТОМ по СО₂ ВД и НД;

исследование возможных перетоков СО₂;

экспериментальную отработку конструкции охладителей (конденсатора, охладителя конденсата) СО₂ НД;

исследование стойкости к окислению, загрязнению поверхности ТОМ и эрозионному воздействию потоков СО₂ ВД и НД;

разработку вариантов исполнения электропривода нагнетателя применительно к условиям работы в среде СО₂ НД и регулирующих и запорных клапанов, исключающих утечки СО₂ из контура стендовой установки в окружающую среду;

отработку технологии изготовления ТОМ и оценку их стоимости в консервативном и инновационном вариантах исполнения;

предварительную оценку оптимальности исходных (проектных) значений температурных напоров в низконапорных точках и потерь давления sCO₂ и СО₂ НД;

предварительную отработку технологии продувки, заполнения контура СО₂-ЭУ углекислым газом при пуске, откачки СО₂ из контура в емкости хранилища СО₂ при останове (прекращении работы) стендовой установки.

Микроканальные ТО в ряде публикаций зарубежных авторов рассматриваются как перспективное направление совершенствования теплообменного оборудования, в частности рекуператоров, в целях снижения их габаритов, металлоемкости и стоимости. На рис. 3 показаны некоторые варианты конфигурации поверхностей теплообмена МКТО [17, 18].

Рис. 3.

Варианты конфигурации поверхностей нагрева МКТО. а – пакетированные сваренные (спаянные) панели c отверстиями [19]; б – штампованные (отформованные) пластинчатые ТО; в – профилированные трубки; г – микротрубки; д – МКТО с печатными (вытравленными) U-образными каналами; е – комбинированный МКТО с печатными платами и U-образными ребрами

Поверхности теплообмена МКТО образованы стенками весьма узких каналов: круглых и профилированных трубок, катаных U-образных профилей, с прямыми и криволинейными/волнистыми трактами по греющему и нагреваемому теплоносителям, с “печатными” (вытравленными) каналами по технологии Printed Circuit Heat Exchangers) различной конфигурации и т.п. Ряды каналов выполнены в виде набора тонких панелей, приваренных одна к другой высокотемпературной диффузионной (например, лазерной) сваркой. Сварные швы при такой сварке получаются весьма прочными и газоплотными.

Снижение стоимости компактных теплообменников в научно-популярных публикациях и рекламных проспектах иногда связывают с внедрением аддитивных технологий производства металлических изделий или 3D-печати изделий из металлического порошка, несмотря на то что пока эти технологии применимы только для малых форм.

3D-технологии, реализуемые различными компаниями на запатентованном ими оборудовании, многочисленны, хотя все они работают по сходному принципу. Разные технологии отличаются одна от другой применением следующих операций:

дозирование порошка на каждый проход лазера, осуществляющего спекание порошка по координатам, переданным компьютером;

поддержание (фиксация) выращиваемой детали;

удаление лишнего порошка;

изоляция процесса от влияния кислорода воздуха (в некоторых установках процесс локализован в камере, наполненной азотом или аргоном);

обеспечение требуемых мощности и скорости движения лазера (чем выше скорость, тем ниже качество 3D-печати).

Добиться идеального соотношения производительности и качества – в этом суть секрета производства каждой компании.

Вместе с тем, в некоторых публикациях отмечается, что детали, произведенные с помощью лазерного спекания, не обладают монолитностью, а потому не достигают прочности, характерной для деталей, произведенных по схожим технологиям, например электронно-лучевой плавкой фирмы Acram, не говоря уже об изделиях, произведенных из проката или отливок с последующей механической обработкой. Кроме того, технологии 3D-печати изделий из металлического порошка применимы только для изготовления изделий небольших размеров.

Что касается оценки стоимости изготовления ТОМ, то решение этой задачи позволит также предварительно уточнить исходные (проектные) значения температурных напоров в низконапорных точках и потерь давления в трактах по sCO₂ и СО₂ НД. Так, например, повышение на 5–6% расхода СО₂ через высоко- и низкотемпературные теплообменные модули будет означать снижение числа пар высоко- и низкотемпературных ТОМ, из которых будут состоять рекуператоры, на единицу. При сопоставлении достигнутого таким образом снижения стоимости рекуператоров с уменьшением расчетного КПД ОД СО₂-ЭУ (вследствие увеличения потерь давления и температурных напоров в рекуператорах) и дисконтированного дохода от выработки энергии (при фиксированном подводе тепла из первичного источника) в течение всего срока службы будут определены и оптимальные значения указанных параметров.

Разработка рабочей конструкторской документации на ТОМ должна вестись практически параллельно с разработкой технологической документации и, естественно, должна быть увязана с планами и мероприятиями по технологической подготовке производства на предприятии – индустриальном партнере, который возьмет на себя изготовление теплообменного оборудования ОД СО₂-ЭУ. Сравнительная оценка стоимости изготовления ТОМ в консервативном и инновационном вариантах исполнения – это оценка экономической целесообразности применения новых технологий на предприятиях, выбранных в качестве индустриальных партнеров.

Отставание России в разработке углекислотных энергоустановок от стран с развитой экономикой год от года увеличивается. Исследования, проводимые отдельными российскими предприятиями, разрознены и не координированы. Включение темы “ТЭС на углекислотном рабочем теле” в Комплексную научно-техническую программу “Энергетика больших мощностей нового поколения”, поддержанную 03.06.2020 Советом 20Б Российской академии наук, позволяет надеяться на улучшение ситуации. В состав НИОКР по указанной теме в качестве первоочередных должны быть включены работы по созданию ОД СО₂-ЭУ, в том числе строительство испытательных стендов и, в первую очередь, стендовой установки для испытаний теплообменного оборудования, экспериментальной отработке конструкции и технологии его изготовления. Для этого на уровне профильных министерств должны быть решены вопросы координации и адресного бюджетного финансирования этих НИОКР, определены индустриальные партнеры. Чем скорее будут решены эти вопросы, тем раньше развитие данного перспективного направления в России будет сдвинуто с мертвой точки.

ОАО НПО ЦКТИ, имеющее богатый опыт разработки теплообменного оборудования ТЭС разного назначения и задел в области предпроектных исследований по созданию СО₂-ЭУ разных видов и мощностей, готово к плодотворному сотрудничеству в проектировании указанной стендовой установки, составлению конструкторской документации и экспериментальной параметрической доводке опытных образцов ТОМ.

ВЫВОДЫ

1. Во всех развитых странах проводятся интенсивные исследования по созданию углекислотных установок (СО₂-ЭУ) различного назначения, как правило, при активном участии государственного сектора, включая разработку государственных программ, адресное бюджетное финансирование, планирование и контроль выполнения работ. Основное внимание уделяется проблеме снижения металлоемкости и стоимости теплообменного оборудования.

2. На примере анализа целесообразности реконструкции отечественной ядерной энергетической установки с реактором на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем БН-1200 путем замены паросиловой части на СО₂-ЭУ при начальной температуре рабочего тела перед турбиной (510°С) и температуре жидкого натрия (Na_ж) на входе/выходе подогревателя рабочего тела (527/355°С), что и в базовом проекте, показано, что для энергоустановок большой мощности при умеренных начальных температурах указанная реконструкция приводит к снижению экономичности энергоустановки вследствие резкого увеличения металлоемкости, габаритов и стоимости теплообменного оборудования и помещений для их размещения.

3. Повышение экономичности в сравнении с паротурбинными аналогами возможно при понижении единичной мощности. Целесообразно создать оборудование силовой части одного типоразмера (с унифицированным основным компрессором), предназначенное для использования в СО₂-ЭУ малой мощности на объектах солнечной, атомной и тепловой энергетики.

4. Обязательной стадией разработки и постановки на производство оборудования силовой части СО₂-ЭУ разных мощностей и назначения является создание опытно-демонстрационной СО₂-ЭУ малой мощности, предназначенной как для экспериментальной отработки оборудования силовой части СО₂-ЭУ и технологии эксплуатации, так и для проведения испытаний этого оборудования после освоения его производства.

5. Для решения проблемы снижения металлоемкости и стоимости рекуператоров ОД СО₂-ЭУ необходимо создать стенд для испытаний теплообменных модулей, из которых будут набраны поверхности теплообмена рекуператоров ОД СО₂-ЭУ. Стендовая установка должна обеспечивать точное воспроизведение условий эксплуатации ТОМ в составе рекуператоров ОД СО₂-ЭУ.

6. Разработка рабочей конструкторской документации на ТОМ должна происходить параллельно с разработкой технологической документации и должна быть увязана с планами и мероприятиями по совершенствованию технологической подготовки производства на предприятии – индустриальном партнере, который возьмет на себя изготовление теплообменного оборудования ОД СО₂-ЭУ.

7. На начальном этапе НИОКР по реализации раздела “ТЭС на углекислотном рабочем теле” Комплексной научно-технической программы “Энергетика больших мощностей нового поколения”, поддержанной Советом 20Б РАН, в первую очередь, должны быть выполнены работы по созданию стендовой установки для испытаний ТОМ рекуператоров ОД СО₂-ЭУ и по отработке технологии его изготовления. Для этого должны быть решены вопросы выбора индустриального партнера и бюджетного финансирования этих НИОКР.

8. ОАО НПО ЦКТИ, имеющее богатый опыт разработки теплообменного оборудования ТЭС разного назначения и задел в области предпроектных исследований по созданию СО₂-ЭУ разных видов и мощностей, готово к плодотворному сотрудничеству в части проектирования указанной стендовой установки, подготовки конструкторской документации и экспериментальной параметрической доводки ТОМ.