Сверхкритический парогенератор — это тип котла , работающий при сверхкритическом давлении и температуре, часто используемый при производстве электроэнергии .
В отличие от докритического котла, в котором образуются пузырьки пара, сверхкритический парогенератор работает при давлении выше критического – 22 мегапаскаля (3200 фунтов на квадратный дюйм ) и температуре 374 °C (705 °F). В этих условиях плотность жидкой воды плавно уменьшается без фазового перехода, становясь неотличимой от пара . Температура воды падает ниже критической точки, поскольку она работает в турбине высокого давления и поступает в конденсатор генератора , что приводит к немного меньшему потреблению топлива. КПД электростанций со сверхкритическими парогенераторами выше, чем с докритическим паром, поскольку термодинамический КПД напрямую связан с величиной их перепада температуры. При сверхкритическом давлении пар с более высокой температурой более эффективно преобразуется в механическую энергию в турбине (как указано в теореме Карно ).
Технически термин «котел» не следует использовать для парогенератора сверхкритического давления, поскольку кипение не происходит.
Современные сверхкритические парогенераторы иногда называют котлами Бенсона. [1] В 1922 году Марк Бенсон получил патент на котел, предназначенный для преобразования воды в пар под высоким давлением.
Безопасность была главной заботой концепции Бенсона. Более ранние парогенераторы были спроектированы для относительно низких давлений до 100 бар (10 МПа ; 1450 фунтов на кв. дюйм ), что соответствовало уровню развития паровых турбин в то время. Одной из их отличительных технических характеристик был клепаный барабан-сепаратор воды/пара. Эти барабаны были тем местом, где заканчивались заполненные водой трубы после прохождения через топку котла.
Эти коллекторные барабаны были предназначены для частичного заполнения водой, а над водой находилось заполненное перегородкой пространство, где собирался пар и водяной пар котла. Увлеченные капли воды собирались перегородками и возвращались в поддон для воды. В основном сухой пар выводился из барабана по трубам в качестве отделенного парового выхода котла. Эти барабаны часто становились источником взрывов котлов , обычно с катастрофическими последствиями.
Однако этот барабан можно было бы полностью устранить, если бы вообще избежать процесса разделения испарения. Это произошло бы, если бы вода поступала в котел под давлением выше критического давления (3206 фунтов на квадратный дюйм, 22,10 МПа); нагревалась до температуры выше критической температуры (706 °F, 374 °C) и затем расширялась (через простое сопло) до сухого пара при некотором более низком докритическом давлении. Этого можно было бы добиться на дроссельном клапане, расположенном ниже испарительной секции котла.
По мере развития технологии Benson конструкция котла вскоре отошла от первоначальной концепции, представленной Марком Бенсоном. В 1929 году испытательный котел, построенный в 1927 году, впервые начал работать на тепловой электростанции в Гартенфельде в Берлине в докритическом режиме с полностью открытым дроссельным клапаном. Второй котел Benson начал работать в 1930 году без клапана повышения давления при давлении от 40 до 180 бар (4 и 18 МПа; 580 и 2611 фунтов на кв. дюйм) на берлинском кабельном заводе. Это применение ознаменовало рождение современного котла Benson с переменным давлением. После этой разработки первоначальный патент больше не использовался. Однако название «котел Benson» было сохранено.
1957: Блок 6 на электростанции Фило в Фило, штат Огайо, стал первым в мире коммерческим сверхкритическим пароэлектрическим энергоблоком, [2] и мог кратковременно работать при ультрасверхкритических уровнях. [3] Только в 2012 году была открыта первая в США угольная электростанция, предназначенная для работы при ультрасверхкритических температурах, — угольная электростанция имени Джона У. Турка-младшего в Арканзасе . [4]
Были разработаны два нововведения для усовершенствования прямоточных парогенераторов [ необходима ссылка ] :
3 июня 2014 года австралийская правительственная исследовательская организация CSIRO объявила, что им удалось получить «сверхкритический пар» под давлением 23,5 МПа (3410 фунтов на кв. дюйм) и при температуре 570 °C (1060 °F), что, по ее словам, является мировым рекордом для солнечной тепловой энергии. [5]
Эти определения, касающиеся производства пара, были найдены в отчете о добыче угля в Китае, исследованном Центром американского прогресса . [6]
Пар на атомных электростанциях обычно поступает в турбины при докритических значениях — для парогенераторов с U-образными трубами 77 бар (1117 фунтов на кв. дюйм) и 294 °C (561 °F), с сопоставимой температурой и давлением для парогенераторов прямоточного типа. [7]
Термин «усовершенствованная ультрасверхкритическая» (AUSC) или «технология 700°C» иногда используется для описания генераторов, в которых температура воды превышает 700 °C (1292 °F). [8]
Термин «высокоэффективный, с низким уровнем выбросов» («HELE») используется в угольной промышленности для описания сверхкритической и ультрасверхкритической генерации угля. [9] [10]
Лидирующая в отрасли (по состоянию на 2019 год) компания Mitsubishi Hitachi Power Systems показывает эффективность своего комбинированного цикла выработки электроэнергии с помощью газовой турбины ( низшая теплотворная способность ) на уровне значительно ниже 55% для температуры на входе в газовую турбину 1250 °C (2282 °F), примерно 56% для 1400 °C (2552 °F), около 58% для 1500 °C (2732 °F) и 64% для 1600 °C (2912 °F), все из которых значительно превышают (из-за эффективности Карно) пороговые значения для AUSC или ультрасверхкритической технологии, которые по-прежнему ограничены температурой пара. [11]