Отзыв ведущей организации (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов)

УТВЕРЖДАЮ Проректор по научной работе ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет имени »»~ЮМ ~. орчж»ф рофессор инович отзыв ведущей организации на диссертацию РОГАЛЕВА Андрея Николаевича «Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов», представленную на соискание ученой степени доктора технических наук по специальностям 05.14.01 «Энергетические системы и комплексы», 05.04.12 «Турбомашины и комбинированные турбоустановки» Целю работы является разработка совокупности научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих создание перспективных высокотемпературных энергетических комплексов нового поколения на основе паротурбинной технологии с повьпленными техникоэкономическими показателями.

Анализ содержании работы Материалы диссертации изложены на Збб страницах основного текста, включающего 257 рисунков и 64 таблицы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 320 источников. Актуальность темы диссертации Вопросы, связанные с созданием и освоением новых высокоэкономичных энергетических комплексов, являются актуальными во все времена развития энергетики. Разработка новых энергоэффективных электрогенерирующих установок требует решения широкого спектра задач, связанных с разработкой новых схем, циклов энергоустановок и оборудования для их реализации.

Проблеме повышения экономичности паротурбинных электростанций на угольном и ядерном топливах в настоящее время уделяется особое внимание в мировой энергетике. В отличие от электростанций на газовом топливе, где за счет реализации парогазового цикла коэффициент полезного действия (КПД) достигает 50-бО %, КПД пылеугольных и атомных электростанций редко превышает 40 %. Повысить экономичность отмеченных паротурби нных циклов возможно путем увеличения начальных параметров пара. Однако повышение начальных параметров требует разработки новых тепловых схем, освоения новых материалов, разработки новых типов основного и вспомогательного оборудования, а также технологий его изготовления. Таким образом, тематика диссертации является актуальной. В~ ~дщ~ бм м ыту~ л д р ац ю д~ а сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Приведены сведения о публикациях, объеме и структуре диссертации. ~ВЮ д ри ю Ы раб р ущ у~щ р б» создания высокоэкономичных экологически чистых энергетических установок на основе паротурбинных циклов, Показана необходимость перехода к новым видам конструкционных материалов при изготовлении основного и вспомогательного оборудования. При этом ставится задача по разработке технических решений, позволяющих сократить долю дорогостоящих сталей и сплавов при создании нового оборудования, тем самым снизив его себестоимость.

Определены основные направления исследований: для паропроводов острого пара — это разработка новых компоновок котельной установки, позволяющих сократить протяженность паропроводов„ для турбомашин — это разработка системы охлаждения отдельных теплонапряженных узлов, разработка технических решений по повышению пропускной способности цилиндров низкого давления; для термодинамических циклов паротурбинных установок — это внедрение системы сжигания водородного топлива для первичного и вторичного перегрева пара. Во вто ой главе представлены результаты исследований влияния структуры и параметров тепловых схем высокотемпературных энергетических комплексов, работающих на органическом, ядерном и водородном топливах, на термодинамическую эффективность, а также новые технические решения, обеспечивающие практическую реализуемость предлагаемых комплексов путем преодоления существующих технических и экономических ограничений.

Приведены результаты технико-экономических расчетов разработки термодинамического цикла на начальное давление 35 МПа, определены оптимальные при указанном давлении сочетания начальной температуры, давления (7 МПа) и температуры промежуточного перегрева (720 'С), температуры питательной воды (330-340 'С) и системы ее регенеративного подогрева (9 регенеративных подогревателей).

Произведена оценка повышения стоимости основного и вспомогательного оборудования при переходе от сверхкритических на ультрасверхкритические параметры в паротурбинном цикле. Установлено, что при переходе от сверхкритических к ультрасверхкритическим параметрам пара стоимость главных паропроводов увеличивается в 3 раза, стоимость паровой турбины возрастает на 32 Уо, затраты на сооружение котельной установки увеличиваются в 2,4 раза, а стоимость вспомогательного оборудования возрастает на 7;4. С целью минимизации протяженности высокотемпературных паропроводов проведена проработка ряда конструктивных исполнений котельной установки и паровой турбины, а также проанализированы варианты компоновочных решений блока. Проведенный анализ полученных компоновочных решений показал, что изменение схемы расположения котельного агрегата существенно влияет на длину главных паропроводов, при этом наименьшую длину обеспечивает компоновка с горизонтальным котлом, позволяющая сократить протяженность паропроводов более чем в 3 раза (на 150 м) по сравнению с наиболее распространенной для энергоблоков ССКП и УСКП компоновкой с башенным котлом.

Рассмотрены решения по установке водородных камер сгорания в традиционную схему паротурбннной установки па органическом топливе для осуществления перегрева пара. Проработаны конструктивные облики водородно-кислородных камер сгорания. Разработана схема охлаждаемого остека паровой турбины, получены зависимости, позволяющие определить необходимый расход пара на охлшкдение и мощность охлаждаемого отсека при различном уровне начальных температур пара, температур свежего пара и хладагента, а также при разных рабочих температурах металла.

Полученные решения были перенесены автором на разработку новых схем АЭС с водоводяными энергетическими реакторами для повышения их КПД. Предложена схема проточной части ЦНД турбины в двухъярусном исполнении для повышения пропускной способности турбины. Показано, что при использовании такой схемы становится возможным увеличить объемный расход пара через выхлопные отсеки на 40-50 ',4, тем самым становится возможным увеличить единичную мощность турбин АЭС до 2000 МВт. Тру г гадаю Лжнр~ц щ р р б ю~Ж д рациональных научно-обоснованных технических решений, базирующейся на комплексном применении расчетных и экспериментальных методов исследований с использованием аддитивных технологий для изготовления физических моделей, а также представлены новые научно-технические решения, обеспечивающие создание оборудования высокотемпературных энергетических комплексов большой мощности, разработанные с применением предложенной методологии.

В обеспечение практической реализации предложенной методологии разработки создан специализированный экспериментальный комплекс, позволяющий проводить исследования модельных образцов деталей и узлов нового энергетического оборудования. Комплекс состоит из стендов для аэродинамических испытаний плоских и кольцевых решеток турбомашин, моделей стопорных и регулирующих клапанов и выхлопных патрубков, установки для исследования структуры течения в моделях топочных камер котельных агрегатов, а также экспериментальных стендов для исследования процессов теплообмена в охлаждаемых теплонапряженных деталях высокотемпературных турбин. Для горизонтального котельного агрегата проведены исследования по количеству и схеме расположения холодных воронок для шлакоудаления, проведена оценка увеличения площадки по сравнению с вертикальным котлом и определена величина экономии в капитальных затратах при сооружении паропроводов от котла до паротурбинной установки.

Предложены технические решения, позволяющие снизить гидравлические потери в блоке стопорно-регулирующих клапанов до 2,5 ',4 от начального давления. Для цилиндра высокого давления с целью снижения концевых потерь предложена система ребер на ограничивающих длину поверхностях. Причем экспериментально- расчетным путем показано, что применение ребер треугольной формы с отношением высоты ребра к ширине, равном 4, позволяет добиться максимального эффекта и сократить потери от вторичных течений на 6,7 Я4.

Для цилиндра низкого давления разработана схема двухъярусной проточной части для повышения ее пропускной способности, а также технология ее изготовления. Предлагаемая конструкция цилиндра имеет осевую площадь выхлопа 1б,5 м', что соответствует увеличению его пропускной способности на 45 ;4 по сравнению с традиционным одноярусным исполнением ЦНД с лопаткой последней ступени длиной 1200 мм.

Также была разработана новая схема организации диффузорного выхлопного патрубка, обеспечивающая за счет использования противовихревых решеток в его конструкции снижение коэффициента потерь энергии более чем на 40;4 по сравнению с бездиффузорным патрубком. Чжии~сжв шар р~б д р р ~п~ю~рж л деталей высокотемпературных турбоустановок. Разработка методики проектирования теплонапряженных деталей осуществлена на примере наиболее нагруженного элемента высокотемпературной турбины — охлаждаемой рабочей лопатки. Главной задачей совершенствования методики является сокращение сроков разработки детали за счет применения опережающей верификации расчетных моделей (тепловой и гидравлической), подтверждения работоспособности конструкции и эффективности принятых проектных решений на основе испытания прототипа, изготовленного по БЬМ-технологии. Сравнение эффективности усовершенствованной методики проектирования теплонапряженных деталей с существующей проведено по временным затратам на реализацию комплекса проектировочных и доводочных работ.

Показано, что применение БЬМ-технологии, позволяющей изготавливать прототипы теплонапряженных деталей, имеющих сложную конструктивную форму, только на основе их электронных моделей без выпуска конструкторской и технологической документации, дает возможность усовершенствовать существующую методику проектирования, исключив из последовательности разработки ряд трудоемких и длительных операций. Применение усовершенствованной методики проектирования теплонапряженных деталей сокращает длительность их создания на девять месяцев, что составляет более 30 ',4 от ее первоначального значения. Пятая глава посвящена разработке стоимостных прогнозных моделей и исследованию влияния новых технических решений на финансово-экономические и инвестиционные показатели перспективных высокотемпературных энергетических комплексов.

Представлена методология разработки прогнозных моделей, базирующаяся на сочетании затратного подхода, метода трендов и метода поэлементного расчета. В основу расчета стоимости отдельных деталей и узлов нового оборудования положено определение массогабаритных характеристик, определяющих расход конструкционных материалов и рабочей температуры, влияющей на выбор марки металла. Также при расчете стоимости изготовления учитываются применяемые технологии, определяющие коэффициенты полезного использования металла и трудоемкость изготовления.