Переходим на гидролиз

Турбогенераторы Волжской ТЭЦ и многих других тепловых электростанций, построенных в нашей стране в 1960-1980 гг., охлаждаются водородом. Этот газ используется потому, что имеет малое гидродинамическое сопротивление, почти в семь раз большую теплопроводность, чем воздух, и в 14 раз большую теплоёмкость. Кроме того, водород не вызывает окисления металла обмоток и других деталей электрических машин.

Качество охлаждения генератора влияет на такие его эксплуатационные характеристики, как КПД и срок службы изоляции. Согласно нормативным документам, обмотки ротора при работе должны иметь температуру 100-130 °С, а обмотки статора - 105-120 °С. При несоблюдении температурных режимов снижаются эластичность и механическая прочность изоляционных материалов - они разрушаются.

На новом принципе

Оборудование ТЭЦ выгодно эксплуатировать в щадящих режимах. Например, снижение температуры в турбогенераторе на 10-20 °С приводит к увеличению срока его службы в 2-4 раза и резкому сокращению затрат на техническое обслуживание. Именно поэтому в МЭИ (филиал в Волжском) большое внимание уделяется системам охлаждения генераторов.

Небольшой коллектив, включающий автора этой статьи и магистранта МЭИ Анну Никитину, выполнил научную работу, которая в начале 2017 г. была представлена на Конкурс ПАО «ЛУКОЙЛ» на лучшую научно-техническую разработку молодых учёных и специалистов. В результате проделанной работы родился «Проект мобильной установки производства водорода для систем охлаждения турбогенераторов».

Исследуя системы охлаждения турбогенераторов мощностью 65, 100 и 135 МВт на Волжской ТЭЦ, мы обратили внимание на электролизёры, которые используются для производства водорода. Эти установки морально устарели и физически изношены, а потому требуют немалых расходов на поддержание в рабочем состоянии.

Себестоимость получаемого на ТЭЦ водорода растёт из-за частых ремонтов электролизёров и отсутствия для них оригинальных комплектующих. Увеличивается и риск аварий, что требует особого внимания, поскольку при электролизном производстве водорода заодно вырабатывается кислород, который нужно отводить для безопасного выпуска в атмосферу.

Проведя патентный поиск, изучив и сравнив разные варианты получения водорода, мы предложили новую систему, основанную на принципах алюмоводородной энергетики (см. «Энерговектор», № 10/2016, с. 9. - Прим. ред.). В результате на базе существующего патента был разработан мобильный генератор водорода, использующий химический процесс вместо электрохимического.

Химические превращения

В предлагаемом генераторе водорода используется реакция гидролиза алюминия. Для получения 1 м³ газа требуется 12,111 кг алюминиевой пасты и 11,086 кг едкого натра. В ходе реакции получается 22,725 кг алюмината натрия - довольно ценного сырья, используемого в различных промышленных процессах при окраске тканей, изготовлении стекла, абразивов, бумаги, лаков и другой продукции.

Были проведены технико-экономические расчёты, которые показали, что строительство на Волжской ТЭЦ новой электролизной установки, включающей два электролизёра, обойдётся в 10 млн руб. Учтя стоимость катализаторов, расходных материалов и электроэнергии на производство 7200 м³ газа в месяц, мы получили, что установка окупится за 25,3 месяца, то есть немногим более, чем за два года.

Результат технико-экономических расчётов для гидролизного генератора выглядит совсем иначе. Если организовать продажу алюмината натрия, получающегося в процессе реакции, по текущей рыночной цене 800 руб./кг, установка окупится всего за 6,5 дня!

Столь впечатляющий показатель объясняется простотой мобильного гидролизного генератора водорода (он представляет собой цилиндрический реактор с системами ввода реагентов), а также благоприятным соотношением рыночных цен на реагенты и продукты реакции. Так, алюминиевая паста требуемого качества стоит 350 руб./кг, едкий натр - всего 30 руб. за кг, а алюминат натрия, как уже упоминалось, - 800 руб./кг.

Дело техники

Гидролизный генератор водорода может быть сконструирован с применением насосов или метода вытеснения реагентов инертным веществом - таким, как гелий или углекислый газ из баллона. На Волжской ТЭЦ для продувки системы и создания в ней избыточного давления можно применить существующие ёмкости для хранения азота объёмом по 20 м³, заполнение которых производится от линии Волжского химического комбината. Вариант генератора с применением насосов показан на рисунке.

Структурная схема мобильной установки для производства водорода
с системой подачи реагентов насосами

Следует отметить, что гидролизный генератор можно внедрить на Волжской ТЭЦ, не демонтируя существующие электролизёры, то есть с подстраховкой и без капитальных затрат на переоборудование всей системы охлаждения турбогенераторов. Благодаря простоте конструкции предложенную установку легко собрать на подвижном шасси. В таком случае будет проще проводить техническое обслуживание и замену её оборудования, избегая простоев в производстве.

На кафедре теплоэнергетики и теплотехники МЭИ в химической лаборатории были проведены эксперименты, которые подтвердили возможность создания лабораторного образца мобильного генератора водорода с использованием доступных материалов - таких, как низкоуглеродистая сталь марок Ст 1 КП, Ст 2 КП, Ст 3 КП, Ст 3 ПС и полиметилметакрилат.

* * *

По нашим расчётам, предлагаемый гидролизный генератор позволит эффективно модернизировать электролизное хозяйство Волжской ТЭЦ. Замена энергоёмкого и небезопасного электролизёра на менее металлоёмкое и более гибкое по возможностям регулировки оборудование положительно скажется на экономике энергетического производства. Применяя простой по конструкции гидролизный генератор водорода, также можно уменьшить число плановых ремонтов и сервисных работ, повысив надёжность всей системы охлаждения турбогенераторов, и заодно снизить затраты энергии на собственные нужды ТЭЦ.

Ресиверное хозяйство Волжской ТЭЦ, используемое для накопления водорода

После отладки рабочих режимов можно будет отказаться от ресиверного хозяйства, снизив степень пожаро- и взрывоопасности производства. Внедрение предлагаемого генератора также позволит отработать систему непрерывного производства водорода с прицелом на масштабирование установки для её применения в системах малой энергетики.

В заключение благодарю управляющего ООО «Тепловая генерация Волжского» Олега Ивановича Баландина за административную поддержку, а научного сотрудника МЭИ профессора Геннадия Фёдоровича Терентьева и директора Волжского филиала МЭИ доцента Махсуда Мансуровича Султанова - за научное руководство.

Автор - машинист ЦТЩУ Волжской ТЭЦ-1 ООО «Тепловая генерация Волжского», ст. преподаватель кафедры теплоэнергетики и теплотехники МЭИ