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

Согласно разработанной дорожной карте российской технологической платформы «Экологически чистая тепловая энергетикавысокой эффективности» уже с 2021 г. планируется освоение новых высокоэффективных энергоблоков на ультрасверхкритические параметры пара (35 МПа, 700/720 °С), обеспечивающихвыработку электроэнергии с КПД свыше 50 %. Осуществляется государственная поддержкапроектов за счет средств федеральной целевой программы Министерства образования и науки6Российской Федерации «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развитиянаучно-технологического комплекса России», целью которых является проведение исследований в области создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов набазе паротурбинных технологий как для тепловой, так и для атомной энергетики.В рамках реализуемых в соответствии с разработанными программами проектов проводятся исследования проблем повышения тепловой экономичности паротурбинных энергоблоков наоснове оптимизации параметров и структуры тепловой схемы энергетических установок, путемсовершенствования конструкций основного и вспомогательного оборудования, создания новыхматериалов и защитных покрытий, способных длительно работать при высоких температурах идавлениях, отработки технологий изготовления деталей из новых материалов.

Несмотря наприлагаемые усилия при выполнении проектов, направленных на решение этой актуальнойпроблемы, 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.Степень разработанности темы. Результаты исследований и разработок тепловых схем паросиловых установок, работающих на органическом топливе с повышенными начальными параметрами 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 работы О.О. Мильмана, В.А. Федорова, С.П. Малышенко, Б.А.

Шифрина, Р.З. Аминова, Байрамова А.Н., А.И. Гурьянова, Г.Ш. Пиралишвили, A. Miller, R.L. Bannister, J. Lewandowki, K. Badyda, J. Hama. Исследования, направленные на создание новых жаропрочных сплавов для оборудования перспективных высокотемпературных энергетических установок, изложены в научных трудах В.С. Дуба,В.Н. Скоробогатых, С.И. Феклистова, S.A. McCoy, R. Viswanathan, J. Klöwer, I.G.

Wright.Усилия большинства исследователей направлены на обеспечение технической достижимостисоздания энергоустановок, их оборудования, новых материалов. При этом большую роль в освоении 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 совокупностипрогнозных моделей оценки стоимости нового оборудования в сочетании с использованием при-7емов и методов функционально-стоимостного анализа на ранних этапах его создания обеспечитвозможность 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 нового поколения на основе паротурбинной технологии с повышенными технико-экономическими показателями.Задачами диссертационного исследования являются:1.

Разработка совокупности научно-обоснованных технических решений, обеспечивающихснижение затрат на создание оборудования при обеспечении его максимальной эффективностидля перспективных высокотемпературных энергетических комплексов нового поколения на основе расчетно-экспериментальных исследований.2.Разработкасовокупностиметодовимоделейдляпроведениярасчетно-экспериментальных исследований, необходимых при формировании научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих создание высокотемпературных энергетических комплексов и их оборудования с повышенными технико-экономическими показателями.3.

Создание испытательного комплекса, программ и методик проведения испытаний, обеспечивающих экспериментальные исследования аэродинамических, гидравлических и тепловыхпроцессов с целью подтверждения работоспособности и эффективности новых техническихрешений.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, иформирование конструктивного облика основного оборудования и компоновочных решений сиспользованием 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.Научная новизна диссертационного исследования.Разработана совокупность научно-технических решений, обеспечивающих техническуювозможность и экономическую целесообразность создания мощных высокотемпературныхэнергетических комплексов нового поколения на основе паротурбинных технологий:8- в результате расчетно-экспериментальных исследований на основе созданных математических и физических моделей определено влияние формы и взаимного расположения холодныхворонок и горелочных устройств на аэродинамику горизонтально-ориентированных топочныхкамер.

С использованием полученных результатов разработана конструктивная схема топки ипредложена новая компоновка пылеугольного котельного агрегата, обеспечивающая сокращение 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 требования кводородно-кислородным камерам сгорания, для которых на базе результатов математическогомоделирования разработана конструктивная схема.

Основываясь на полученных результатах,предложен способ сокращения использования жаропрочных материалов в котельном агрегатеза счет осуществления перегрева пара свыше 540-600 °С не в поверхностях нагрева котла, а вводородно-кислородных пароперегревателях, установленных в непосредственной близости отпаровой 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 температуры металла.

С применением полученных результатов разработана схема перспективного высокотемпературного энергетического комплекса с охлаждаемой паровой турбиной, позволяющая сократить расход дорогостоящих жаропрочных материалов и, как следствие, уменьшить стоимостьтурбины 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 методов исследований, 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 математиче-9ских 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 металлоемкость истоимость изготовления нового оборудования перспективных высокотемпературных энергетических комплексов на ранних стадиях его создания. Установлены зависимости металлоемкостии стоимости оборудования от начальных параметров пара и его расхода.Разработана математическая модель отсека паровой турбины с охлаждаемой проточной частью, позволяющая определять необходимое количество охлаждающего агента в зависимостиот его параметров, параметров основного потока и рабочей температуры применяемых конструкционных материалов.Получены новые результаты по влиянию параметров пара на технико-экономические показатели и структуру тепловых схем перспективных высокотемпературных энергетических комплексов, на основе которых разработаны предложения по формированию структуры и выборурабочих 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.