Автореферат (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертационного исследования. По данным международногоэнергетического агентства более 40 % выработки электроэнергии осуществляется на основеугольного топлива и более 10 % – на базе ядерного. Как на атомных, так и на тепловых угольных электростанциях наиболее широкое распространение получили энергоустановки, работающие по паротурбинной технологии. Таким образом, именно на паротурбинных электростанциях осуществляется выработка свыше 50 % всей электрической энергии в мире, что и определяет актуальность повышения энергетической эффективности паротурбинных энергоустановок. Оборудование, используемое в установках рассматриваемого типа, достигло высокогоуровня совершенства, и существенного повышения экономичности можно ожидать только вслучае повышения начальных параметров термодинамического цикла.

Если на электростанциях, использующих газовое топливо, произошел переход к комбинированным циклам, позволивший увеличить температуру подвода теплоты до 1200-1500 °С, обеспечив тем самымдостижение уровня тепловой экономичности 60 % и более, то на тепловых электростанциях,использующих уголь, а также на атомных электростанциях проблема повышения термодинамической эффективности за счет роста начальных параметров пара пока остается нерешенной.В атомной энергетике основным сдерживающим фактором является ограниченный уровеньпараметров ядерного реактора. Внедрение способов повышения параметров генерируемогоядерной паропроизводящей установкой пара ограничивается требованиями соблюдения ядерной безопасности.

Освоение высокотемпературных энергоблоков на угольных электростанциях связано как с техническими проблемами, обусловленными в большей степени надежностью работы применяемых материалов, так и с существенным повышением стоимости оборудования и энергетического комплекса в целом, что приводит к снижению его конкурентоспособности по сравнению с альтернативными технологиями.На текущий момент мировая теплоэнергетика уже сделала реальные шаги к массовому переходу на суперсверхкритические параметры пара (ССКП – 30 МПа, 600/620 °С) и активно продолжает исследования и разработки в области создания энергоустановок с ультрасверхкритическими параметрами (УСКП – 35 МПа, 700/720 °С).

Отечественная наука планирует активноучаствовать в разработке новых высокотемпературных паротурбинных технологий производства электрической энергии. Согласно разработанной дорожной карте российской технологической платформы «Экологически чистая тепловая энергетика высокой эффективности» ужес 2021 г. планируется освоение новых высокоэффективных энергоблоков на ультрасверхкритические параметры пара, обеспечивающих выработку электроэнергии с КПД свыше 50 %.Осуществляется государственная поддержка проектов за счет средств федеральной целевойпрограммы Министерства образования и науки Российской Федерации «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», целью которых является проведение исследований в области создания перспективныхвысокотемпературных энергетических комплексов на базе паротурбинных технологий как длятепловой, так и для атомной энергетики.В рамках реализуемых в соответствии с разработанными программами проектов проводятся исследования проблем повышения тепловой экономичности паротурбинных энергоблоков на основе оптимизации параметров и структуры тепловой схемы энергетических установок, путем совершенствования конструкций основного и вспомогательного оборудования, создания новых материалов и защитных покрытий, способных длительно работать при высокихтемпературах и давлениях, отработки технологий изготовления деталей из новых материалов.Несмотря на прилагаемые усилия при выполнении проектов, направленных на решение этойактуальной проблемы, многие вопросы до сих пор остаются нерешенными.Создание перспективных высокотемпературных энергетических комплексов на органическом, ядерном и водородном топливах с повышенными технико-экономическими характеристиками, безусловно, актуально для российской энергетической отрасли.4Степень разработанности темы.

Результаты исследований и разработок тепловых схемпаросиловых установок, работающих на органическом топливе с повышенными начальнымипараметрами пара, и их оборудования широко представлены в научных работах А.Г. Тумановского, А.Д. Трухния, А.С. Седлова, Е.В. Дорохова Э.Х. Вербовецкого, А.Г. Костюка, Л.А. Хоменка, Ю.К. Петрени, В.Г. Грибина, П.А. Кругликова, А.Е. Зарянкина, Г.А.

Филиппова, А.Л.Шварца, H. Lukowicz, F. Weizhong, K. Stepczynska, M. Kaczorowski, J. Pelegrin, M. Luxa. Исследованиям вопросов повышения технико-экономических характеристик энергоустановок тепловых и атомных электростанций за счет применения водородного топлива посвящены работыО.О. Мильмана, В.А. Федорова, С.П. Малышенко, Б.А. Шифрина, Р.З. Аминова, А.Н. Байрамова, А.И. Гурьянова, Г.Ш. Пиралишвили, A. Miller, R.L.

Bannister, J. Lewandowki,K. Badyda, J. Hama. Исследования, направленные на создание новых жаропрочных сплавов дляоборудования перспективных высокотемпературных энергетических установок, изложены внаучных трудах А.В. Дуба, В.Н. Скоробогатых, С.И. Феклистова, S.A. McCoy, R. Viswanathan,J. Klöwer, I.G. Wright.Усилия большинства исследователей направлены на обеспечение технической достижимости создания энергоустановок, их оборудования, новых материалов.

При этом большую роль восвоении и распространении новых технологий играет обеспечение их конкурентоспособности,одним из определяющих факторов которой является стоимость. Поэтому разработка новых технических решений должна быть направлена не только на повышение технических характеристик, но и на обеспечение экономической целесообразности их применения. Создание совокупности прогнозных моделей оценки стоимости нового оборудования в сочетании с использованием приемов и методов функционально-стоимостного анализа на ранних этапах его созданияобеспечит возможность обоснованного формирования структуры и выбора параметров перспективных высокотемпературных энергетических комплексов и их оборудования на базе существующих и новых технических решений.Цель: разработка совокупности научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих создание перспективных высокотемпературных энергетических комплексов новогопоколения на основе паротурбинной технологии с повышенными технико-экономическимипоказателями.Задачами диссертационного исследования являются:1.

Разработка совокупности научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих снижение затрат на создание оборудования при обеспечении его максимальной эффективности для перспективных высокотемпературных энергетических комплексов нового поколения на основе расчетно-экспериментальных исследований.2.

Разработка совокупности методов и моделей для проведения расчетно-экспериментальных исследований, необходимых при формировании научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих создание высокотемпературных энергетических комплексов и ихоборудования с повышенными технико-экономическими показателями.3. Создание испытательного комплекса, программ и методик проведения испытаний, обеспечивающих экспериментальные исследования аэродинамических, гидравлических и тепловых процессов с целью подтверждения работоспособности и эффективности новых технических решений.4.

Разработка научно-обоснованных предложений по формированию структуры и выборупараметров тепловых схем перспективных высокотемпературных энергетических комплексовна органическом, ядерном и водородном топливах на основе оптимизационных исследований,и формирование конструктивного облика основного оборудования и компоновочных решенийс использованием приемов и методов функционально-стоимостного анализа, применение которых обеспечивает достижение максимального уровня эффективности при минимальных затратах.5.

Исследование влияния технических решений на финансово-экономические и инвестиционные показатели перспективных высокотемпературных энергетических комплексов.5Научная новизна диссертационного исследования:Разработана совокупность научно-технических решений, обеспечивающих техническуювозможность и экономическую целесообразность создания мощных высокотемпературныхэнергетических комплексов нового поколения на основе паротурбинных технологий:- в результате расчетно-экспериментальных исследований на основе созданных математических и физических моделей определено влияние формы и взаимного расположения холодных воронок и горелочных устройств на аэродинамику горизонтально-ориентированных топочных камер.

С использованием полученных результатов разработана конструктивная схематопки и предложена новая компоновка пылеугольного котельного агрегата, обеспечивающаясокращение длины паропроводов острого пара и пара промежуточного перегрева по сравнению с традиционной компоновкой в 3 раза;- получены новые результаты по влиянию водородного перегрева на функционированиеугольно-водородных энергетических комплексов, на основе которых определены требованияк водородно-кислородным камерам сгорания, для которых на базе результатов математического моделирования разработана конструктивная схема. Основываясь на полученных результатах, предложен способ сокращения использования жаропрочных материалов в котельномагрегате за счет осуществления перегрева пара свыше 540-600 °С не в поверхностях нагревакотла, а в водородно-кислородных пароперегревателях, установленных в непосредственнойблизости от паровой турбины, позволяющий снизить долю использования жаропрочных материалов и обеспечивающий уменьшение стоимости энергетического комплекса на 11,3 %;- установлены зависимости изменения расхода хладагента и мощности охлаждаемого отсека паровой турбины от температур основного потока и хладагента и рабочей температурыметалла.