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

2ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ..............................................................................................................................................5ГЛАВА1АНАЛИЗНАПРАВЛЕНИЙРАЗВИТИЯПЕРСПЕКТИВНЫХВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ .........................................121.1 Тенденции развития мировой и российской энергетики ............................................................121.2 Состояние разработок в области создания энергетических комплексов с повышеннымитехнико-экономическими характеристиками .....................................................................................201.2.1Материалыдлявысокотемпературныхэлементовэнергоблоковсультрасверхеритическими параметрами пара ....................................................................................241.2.2 Экономические аспекты перехода на повышенные параметры пара .....................................291.3 Возможные пути снижения стоимости перспективных энергоустановок ................................301.3.1 Новые компоновочные решения .................................................................................................301.3.2 Пути снижения металлоемкости паровых турбин ....................................................................381.3.3 Применение водородно-кислородных камер сгорания для перегрева пара ...........................411.3.4 Применение систем охлаждения в паровых турбинах .............................................................531.4 Методы проектирования теплонапряженных охлаждаемых деталей ........................................581.4.1 Методы верификации математических моделей теплонапряженных деталей ......................641.4.2Анализвозможностейаддитивныхлазерныхтехнологийдляизготовлениятеплонапряженных деталей..................................................................................................................691.5 Внешний перегрев пара на АЭС – альтернативный способ высокоэффективногоиспользования органического топлива ...............................................................................................731.5.1 Перегрев пара на АЭС выхлопными газами ГТУ .....................................................................741.5.2 АЭС с огневым перегревом пара ................................................................................................771.6Анализметодовпрогнознойоценкистоимостиперспективногоэнергетическогооборудования .........................................................................................................................................79ГЛАВА2РАЗРАБОТКАИИССЛЕДОВАНИЕТЕПЛОВЫХСХЕМВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ОРГАНИЧЕСКОМ,ЯДЕРНОМ И ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВАХ .....................................................................................862.1 Пылеугольные энергоблоки с ультрасверхкритическими параметрами пара ..........................862.1.1 Оптимизационные исследования тепловых схем .....................................................................862.1.2 Разработка конструктивного облика основного оборудования энергоблока УСКП...........1002.2 Исследование тепловых схем энергоустановок с охлаждаемыми паровыми турбинами......1092.3Применениеводородно-кислородныхпароперегревателейввысокотемпературныхэнергетических комплексах ...............................................................................................................12232.4ГибриднаяАЭС–высокоэкономичныйспособвыработкиэлектроэнергиинауглеводородном топливе ....................................................................................................................137ГЛАВА 3 НОВЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И МЕТОДЫ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ..........................1543.1 Методология проектирования научно-обоснованных технических решений на основерасчетно-экспериментального подхода ............................................................................................1543.2 Испытательныйкомплекс для экспериментальной отработки новых техническихрешений ................................................................................................................................................1573.3 Разработка и анализ возможных вариантов снижения стоимости энергоблока за счетсокращения длины паропроводов......................................................................................................1663.3.1 Выбор компоновки котельного агрегата для энергоблока УСКП .........................................1663.3.2 Горизонтальный котельный агрегат для энергоблока УСКП ................................................1703.3.3 Расчетно-экспериментальные исследования топочной камеры котла горизонтальнойкомпоновки ..........................................................................................................................................1743.4 Двухъярусный ЦНД повышенной пропускной способности – перспективный способснижения металлоемкости турбоагрегата.........................................................................................2123.5 Применение оребрения торцевых поверхностей межлопаточных каналов ............................2303.6 Блок стопорно-регулирующих клапанов для турбин УСКП ....................................................233ГЛАВА4МЕТОДИКАПРОЕКТИРОВАНИЯТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХДЕТАЛЕЙВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТУРБИН .........................................................................................2364.1 Методика проектирования охлаждаемых теплонапряженных деталей с опережающийверификацией тепловых и гидравлических моделей.......................................................................2364.2 Обоснование возможности использования прототипов теплонапряженных деталей,изготовленных по SLM-технологии для теплогидравлических испытаний .................................2414.2.1 Выбор и исследование свойств материала для изготовления прототипов ...........................2414.2.2 Исследование влияния шероховатости поверхности моделей на точность определениятепловых и гидравлических характеристик каналов охлаждения .................................................2464.3 Отработка усовершенствованной методики проектирования теплонапряженных деталей напримере рабочей лопатки газовой турбины .....................................................................................2524.4 Оценка эффективности усовершенствованной методики проектирования теплонапряженныхохлаждаемых деталей .........................................................................................................................262ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НАТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕПОКАЗАТЕЛИВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ .............................................................................................26545.1 Методология разработки прогнозных стоимостных моделей основного оборудованиявысокотемпературных энергетических комплексов ........................................................................2655.2Моделиоценкистоимостиоборудованиявысокотемпературногоэнергетическогокомплекса .............................................................................................................................................2735.2.1 Разработка модели оценки стоимости котельного агрегата ..................................................2735.2.2 Разработка модели оценки стоимости паротурбинной установки ........................................2825.2.3 Разработка модели оценки стоимости паропроводов .............................................................3015.2.4 Разработка модели оценки стоимости водородно-кислородной камеры сгорания .............3055.3 Оценка стоимостных эффектов от применения научно-обоснованных техническихрешений ................................................................................................................................................3105.4 Оценка стоимости создания перспективных высокотемпературных энергетическихкомплексов ...........................................................................................................................................327ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ ......................................................................................................................334СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................................................3375ВВЕДЕНИЕАктуальность темы диссертационного исследования.

По данным международного энергетического агентства более 40 % выработки электроэнергии осуществляется на основе угольного топлива и более 10 % производится на базе ядерного горючего. Как на атомных, так и натепловых угольных электростанциях наиболее широкое распространение получили энергоустановки, работающие по паротурбинной технологии. Таким образом, именно на паротурбинныхэлектростанциях осуществляется выработка порядка 50 % всей электрической энергии в мире,что и определяет актуальность повышения энергетической эффективности паротурбинныхэнергоустановок.

Оборудование, используемое в установках рассматриваемого типа, достигловысокого уровня совершенства, и существенного повышения экономичности можно ожидатьтолько в случае 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. Ватомной энергетике основным сдерживающим фактором является ограниченный уровень параметров ядерного реактора.

Внедрение способов повышения параметров генерируемого ядернойпаропроизводящей установкой пара ограничивается требованиями соблюдения ядерной безопасности. Освоение высокотемпературных энергоблоков на угольных электростанциях связано как с техническими проблемами, обусловленными в большей степени надежностью работыприменяемых 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 времени мировая теплоэнергетика уже сделала реальные шаги к массовому переходу на суперсверхкритические параметры пара и активно продолжает исследования иразработки в области создания энергоустановок с ультрасверкритическими параметрами. Отечественная наука планирует активно участвовать в разработке новых высокотемпературных паротурбинных технологий производства электрической энергии.