Автореферат (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов), страница 2

С применением полученных результатов разработана схема перспективного высокотемпературного энергетического комплекса с охлаждаемой паровой турбиной, позволяющаясократить расход дорогостоящих жаропрочных материалов и, как следствие, уменьшить стоимость турбины на 28,5 %, обеспечив при этом КПД выработки электрической энергии, равный 48,1 %, что на 0,4 % ниже по сравнению с неохлаждаемой турбиной;- проведены исследования возможных вариантов повышения пропускной способности цилиндров низкого давления, в ходе которых получены результаты по влиянию конструктивныхсхем на аэродинамическую эффективность проточных частей.

На основе полученных результатов предложен способ, обеспечивающий снижение металлоемкости турбин мощностью 3001200 МВт на 10-20 %, с 1,57-2,30 до 1,23-2,08 кг/кВт.Разработана новая методология проектирования научно-обоснованных технических решений, базирующаяся на комплексном применении расчетных и экспериментальных методовисследований, использовании аддитивных технологий для изготовления физических моделей,обеспечивающая сокращение сроков создания нового оборудования.Разработана усовершенствованная методика проектирования теплонапряженных охлаждаемых деталей высокотемпературных турбин на основе опережающей верификации математических моделей.

Экспериментально обоснована возможность применения технологии селективного лазерного спекания (SLM-технологии) для изготовления прототипов охлаждаемых деталей.Разработаны алгоритмы и расчетные модели ключевых элементов проточной части, частинизкого давления, выхлопного отсека, применимые для проектирования широкого класса турбомашин.Разработан комплекс математических моделей, позволяющий оценивать металлоемкостьи стоимость изготовления нового оборудования перспективных высокотемпературных энергетических комплексов на ранних стадиях его создания.

Установлены зависимости металлоемкости и стоимости оборудования от начальных параметров пара и его расхода.Разработана математическая модель отсека паровой турбины с охлаждаемой проточнойчастью, позволяющая определять необходимое количество охлаждающего агента в зависимости от его параметров, параметров основного потока и рабочей температуры применяемыхконструкционных материалов.6Получены новые результаты по влиянию параметров пара на технико-экономические показатели и структуру тепловых схем перспективных высокотемпературных энергетическихкомплексов, на основе которых разработаны предложения по формированию структуры и выбору рабочих параметров перспективных энергетических комплексов.Расчетно-экспериментально обосновано применение профильных поверхностей меридиональных обводов для снижения концевых потерь энергии в турбинных решетках малой относительной высоты.На основе разработанных технических решений с использованием приемов и методовфункционально-стоимостного анализа сформирован конструктивный облик основного оборудования и предложены компоновочные решения высокотемпературных энергетических комплексов, применение которых обеспечит достижение максимального уровня эффективностипри минимальных затратах.Практическая значимость работы.

В работе исследованы технологии производстваэлектрической энергии на высокотемпературных паротурбинных установках, в том числе гибридного принципа действия. Разработаны новые научно-технические решения, обеспечивающие возможность практической реализации предлагаемых технологий. Разработаны методыи модели оценки стоимости нового оборудования и высокотемпературных энергетическихкомплексов.Полученные автором результаты исследований тепловых схем энергетических комплексов с повышенными параметрами пара, а также разработанные рекомендации по проектированию схем использовались при выполнении научно-исследовательских работ в ФГБОУ ВО«НИУ «МЭИ», которые затрагивали вопросы исследования высокотемпературных энергоустановок, в том числе гибридных с водородным перегревом пара. Материалы диссертациииспользовались при проведении занятий со студентами и аспирантами по направлению подготовки «Теплоэнергетика» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».На защиту выносятся следующие результаты:Совокупность научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих снижениестоимости высокотемпературных энергетических комплексов:- новая компоновка пылеугольного котельного агрегата с горизонтально расположеннойтопочной камерой;- конструктивная схема цилиндра низкого давления с двухъярусной проточной частью повышенной пропускной способности;- способ реализации перегрева пара свыше температуры 540-600 °С в водородно-кислородных пароперегревателях, установленных в непосредственной близости от паровой турбины;- схема перспективного высокотемпературного энергетического комплекса с охлаждаемой паровой турбиной.Результаты исследования тепловых схем перспективных высокотемпературных энергетических комплексов на органическом, водородном и ядерном топливах посредством математического моделирования, в том числе энергоблоков с ультрасверхкритическими параметрамипара, гибридных угольно-водородных ТЭС и гибридных АЭС.Новая методология проектирования научно-обоснованных технических решений, базирующаяся на комплексном применении расчетных и экспериментальных методов исследованийс изготовлением моделей по аддитивной технологии.Методика проектирования теплонапряженных охлаждаемых деталей высокотемпературных энергоустановок на основе опережающей верификации математических моделей.Математическая модель отсека паровой турбины с охлаждаемой проточной частью.Совокупность моделей прогнозной оценки стоимости оборудования перспективных высокотемпературных энергетических комплексов.Результаты исследования влияния новых научно-технических решений на финансовые иинвестиционные показатели перспективных высокотемпературных энергетических комплексов.7Достоверность.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловленаприменением современных методов решения теплотехнических задач, методов математического моделирования и оптимизации с использованием хорошо зарекомендовавших себя в мировой практике проведения исследований программных комплексов. Результаты математического моделирования подтверждены физическим экспериментом.Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: Power System Engineering, Thermodynamics and Fluid Flow (Пльзень, Чехия, 2007, 2011, 2016); Computational Methods in AppliedScience and Engineering (Венеция, Италия, 2008); Compressor and Turbine Flow Systems, Theoryand Applications Areas (Лодзь, Польша, 2008, 2011); Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics (Грац, Австрия, 2009; Стокгольм, Швеция, 2017); Research and Development inPower Engineering (Варшава, Польша, 2009); Проблемы газодинамики и тепломассобмена вэнергетических технологиях (Москва, Россия, 2011); Energy Production and Management in the21-st Century (Екатеринбург, Россия, 2014); Инновационная экономика и промышленная политика региона (Санкт-Петербург, Россия, 2014); Energy and Sustainability (Медельин, Колумбия, 2015); Уголь-ЭКО (Москва, Россия, 2016); Современные проблемы теплофизики и энергетики (Москва, Россия, 2017).Личный вклад автора.

Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследования,разработка и обоснование всех положений, определяющих научную новизну и практическуюзначимость, постановка экспериментов, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и рекомендаций. Автор принимал непосредственное участие в создании экспериментальных установок и проведении расчетно-экспериментальных исследований предлагаемыхнаучно-технических решений.Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 научных работ, в том числе 16 статейв периодических изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для опубликованияосновных результатов диссертационных исследований на соискание ученых степеней доктораи кандидата наук, 13 статей – в журналах, входящих в международные базы цитирования Scopus и Web of Science, 16 докладов в сборниках трудов международных конференций, 6 патентов.Объем и структура работы.

Материалы диссертации изложены на 366 страницах основного текста, включающего 257 рисунков и 64 таблицы. Работа состоит из введения, пяти глав,заключения, списка литературы, содержащего 320 источников.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность диссертационного исследования, сформулированацель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.Приведены сведения о публикациях, объеме и структуре диссертации.Первая глава посвящена анализу проблем и перспектив создания высокоэффективныхэкологически чистых энергетических комплексов нового поколения на основе высокотемпературных паротурбинных установок.Одной из основных проблем создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов с повышенными технико-экономическими показателями является обеспечение работоспособности конструкционных материалов, применяемых при изготовлении деталей и узлов оборудования, работающих в условиях высоких температур и давлений, в томчисле пароперегревательных поверхностей, паропроводов острого пара и промежуточного перегрева, высокотемпературных отсеков паровой турбины.