Стратегическим направлением развития теплоэнергетики, работающей на твердом топливе, является создание паротурбинных энергоблоков нового поколения, работающих на ССКП пара, имеющих совершенную проточную часть и улучшенную тепловую схему. Принципиальным в этом перечне вопросов является повышение параметров пара, которое требует решения ряда принципиальных, в первую очередь, научных и технологических проблем.
Главной проблемой является обеспечение ресурса в 200—250 тыс. ч таких элементов энергоблока как высокотемпературные роторы турбины, коллекторы пароперегревателей котлов, паропроводы и корпуса арматуры, установленной на них. Критическими элементами в этом перечне являются роторы ЦВД и ЦСД паровой турбины, для которых обычные трудности обеспечения необходимой прочности усугубляются технологическими проблемами изготовления огромных поковок высокого качества.
Создание новых турбинных материалов, обладающих необходимыми рабочими свойствами при суперсверхкритических начальных параметрах пара, является главной проблемой освоения новой ступени параметров. Установившееся совершенно неверное представление о паротурбинной энергетике, как о направлении, достигшем предела своего технического развития ввиду невозможности повышения параметров пара, привело практически к полному свертыванию работ в нашей стране по созданию новых материалов. Для высокотемпературных роторов используются низколегированные хромомолибденованадиевые стали Р2 (Р2М) и ЭИ-415, а для корпусов — аналогичные стали 15Х1М1ФЛ, 20ХМФЛ и 20ХМЛ. Имеется опыт изготовления внутренних корпусов ЦВД из 12 %-ной хромистой стали. Поэтому, говоря о перспективах создания новых турбинных материалов для энергоблоков ССКП, к сожалению, приходится в значительной степени ориентироваться на зарубежный опыт.
Специфические проблемы материалов для ССКП связаны с роторами высокотемпературных цилиндров: сверхвысокого, высокого и среднего (для турбин с двумя промежуточными перегревами пара) давлений. Главная проблема — обеспечение длительной прочности при достаточных жаростойкости, вязкости разрушения, сопротивлении малоцикловой усталости и технологичности изготовления.
Для температур вплоть до 570—580 °С пригодны имеющиеся материалы, возможно модифицированные с целью небольшого улучшения характеристик. В частности, для критического элемента турбины — ротора среднего давления — требуется разработка модифицированной низколегированной хромомолибденованадиевой стали с содержанием хрома до 2 % и присадками никеля, азота и вольфрама. Это позволит существенным образом повысить вязкость разрушения при сохранении остальных прочностных характеристик.
Для параметров 30 МПа, 600 °С требуются улучшенные жаропрочные стали с содержанием хрома 9—12 %. В отличие от стандартных 12 %-ных хромистых сталей, улучшенные стали легируются дополнительно ниобием и вольфрамом, в них уменьшается в 2 раза содержание углерода и молибдена. Такие стали разработаны в Японии и в рамках европейской программы COST как для поковок роторов, так и для литых элементов арматуры. Сегодня созданы все основные необходимые материалы для уровня температур 600 °С.
Отношение к созданию материалов на параметры 35 МПа, 650 °С в настоящее время двоякое. С одной стороны, имеется многолетний опыт использования аустенитных материалов для энергоблоков Эддистоун-1, Фило-6, СКР-100 и других, а с другой — понимание того, что создание современного энергоблока достаточно большой мощности с хорошими эксплуатационными характеристиками на эти параметры невозможно без создания новых материалов. Поэтому уже сейчас, несмотря на неопределенность сроков перехода на параметры 35 МПа, 650 °С, осуществляются работы, направленные на создание критического (из-за своей массы) элемента — ротора ЦСД.
Наибольших успехов в разработке новых жаропрочных материалов достигли фирмы Японии и европейские фирмы в рамках программы COST, специально осуществленной для разработки жаропрочных материалов для энергоблоков ССКП.
. 
Рис.3.5. Сравнение длительной прочности японских роторных сталей с отечественными (1 – сталь Р2МА, 2 – сталь ЭИ 756.
На рис. 3.5 представлены данные по длительной прочности роторных сталей. На графике показано значение длительной прочности, полученное специалистами ЦКТИ и ЛМЗ в результате испытаний турбинных роторов после их длительной эксплуатации (точка 1). Видно, что отечественная хромомолибденованадиевая сталь Р2МА имеет практически такие же характеристики, как и японская сталь 1 % Cr-Mo-V.
Сталь TOS101 была разработана в Японии в 60-е годы XX в. для роторов турбин с начальной температурой 566 °С. Первый ротор из нее был использован в турбине мощностью 375 МВт в 1973 г. К настоящему времени из этой стали изготовлено более 20 роторов для турбин мощностью до 1000 МВт, в основном, для ЦСД и ЦВСД.
Улучшенная высокохромистая сталь TOS107, разработанная в 1982 г. с добавлением 1 % вольфрама, предназначена для роторов турбин с начальной температурой 593 °С. К настоящему времени из нее изготовлены роторы для цилиндров турбин мощностью до 700 и 1000 МВт.
Альтернативой разработки новых жаропрочных материалов является создание систем охлаждения роторов в зоне высоких температур. В отличие от лопаток газовых турбин, для которых требуется глубокое охлаждение (примерно с 1300—1400 до 800—850 °С), в паровой турбине в охлаждении лопаток нет необходимости, а для обеспечения достаточной надежности, как видно из рис. 3.5, требуется снижение температуры металла всего лишь на 40—60 °С.
Рис.3.6. Схема универсальной системы охлаждения ротора с совмещенным ЦВСД японской фирмы Toshiba мощностью 700 МВт на параметры 24,1 МПа, 593°С /593°С
Использование охлаждения для роторов паровых турбин началось в начале 60-х годов XX в., и в настоящее время его применяют многие фирмы. Универсальной является комбинированная система (рис. 3.6), сочетающая в себе элементы естественного (внутреннего) и принудительного (внешнего) охлаждения.
Еще раньше принудительное охлаждение использовалось на опытно-промышленном энергоблоке с предвключенной турбиной СКР-100 на параметры пара 30 МПа/650 °С на Каширской ГРЭС. Принудительное охлаждение ротора ЦСД применялось и на первой в мире современной мощной турбине ТЭС Хекинен при температурах 538 °С/593 °С.
Идея применения только естественного охлаждения ротора ЦВД вследствие дросселирования в промежуточном уплотнении использована в предложении по реконструкции энергоблоков 300 МВт при одновременном повышении начальной температуры до 570 °С. По оценкам снижение температуры можетсоставить более 40—50 °С, что достаточно для обеспечения длительной прочности ротора ЦСД.
Определенный интерес представляет давно применяемая в турбинах СКД Японии система естественного охлаждения, основанная на использовании насосного эффекта диска регулирующей ступени. Разработка и исследования этой системы (рис. 3.7) осуществлялись применительно к ротору двухпоточ-
Рис.3.7. Охлаждение диска и вала под ним «холодным» паром из камеры регулирующей ступени турбины
ного ЦВД турбины мощностью 1000 МВт на параметры 24,1 МПа, 593 °С/593 °С японской фирмы Мицубиси. Охлаждение диска регулирующей ступени осуществляется «прокачкой» части «холодного» пара из камеры регулирующей ступени в пространство перед ее диском.
Можно с уверенностью прогнозировать, что подобно тому, как охлаждение лопаток газовых турбин привело к революции в газотурбостроении и создало предпосылки к появлению высокоэкономичных утилизационных ПГУ, разработка охлаждения паровых турбин приведет к аналогичной революции. Это тем более целесообразно, что в наших научных организациях накоплен огромный задел в области теплообмена в турбомашинах. В отличие от ГТУ, паровым турбинам СКД и ССКП в СССР уделялось особое внимание. Были времена, когда СССР лидировал в строительстве энергоблоков СКД, ввел в эксплуатацию и освоил энергоблок с турбиной СКР-100 на параметры 29,4 МПа/650 °С (1966 г.).
С начала 90-х годов научно-техническая общественность России, обеспокоенная наметившимся отставанием энергетики России в области освоения ССКП, подняла вопрос о необходимости вновь вернуться к повышению параметров (здесь необходимо в первую очередь отметить усилия ученых кафедры паровых и газовых турбин МЭИ). Были проработаны различные концепции турбоустановок с турбиной мощностью 525 МВт с начальным давлением p 0 = 29 МПа. Температура свежего пара и пара промперегрева варьировалась от 580 до 600 °С, давление в конденсаторе р к = 3,4 кПа, температура питательной воды t п.в = 300 °С. Вариант с одним промперегревом базировался на усовершенствованной тепловой схеме турбины ЛМЗ К-500-23,5-4, выпущенной ЛМЗ для района Экибастуза. При расчетах принято, что проточная часть турбины отвечает современному уровню, лопатка последней ступени имеет длину 1200 мм, КПД котла 94,5 %. Итоги расчета влияния температуры пара на КПД энергоблока мощностью 525 МВт при одном промежуточном перегреве пара приведены ниже. Как видно, при начальных параметрах пара 29 МПа, 600 °С/600 °С вполне достижим КПД энергоблока нетто в 45,3 %.
На рис. 3.8 приведена тепловая схема энергоблока с двумя промежуточными перегревами пара. Результаты расчета влияния температуры пара на КПД энергоблока мощностью 525 МВт при двух промежуточных перегревах приведены ниже:
Рис.3.8. Тепловая схема энергоблока на суперсверхкритические параметры пара мощностью 525 МВт
Видно, что введение второго промежуточного перегрева позволяет поднять КПД примерно на 0,6 % (абс.), т.е. сэкономить 1,3 % топлива.
Основываясь на этих разработках, организациями России (ВТИ, ЛМЗ, ЦНИИТМАШ, ЗиО, МЭИ, ХТЗ) были разработаны технические требования к энергоблоку мощностью 525 МВт на ССКП. Энергоблок выполняется с одним промежуточным перегревом пара на параметры перед турбиной 29 МПа, 595 °С/597 °С с давлением в конденсаторе 3,5 кПа, температуре питательной воды 300 °С. В схеме применены все новейшие отечественные и мировые достижения, турбина выполняется в соответствии с последними достижениями в аэродинамике. Она состоит из ЦВД, ЦСД и двух ЦНД. При работе на каменном угле КПД энергоблока нетто составляет 45 %, а на буром — 45,5 %.