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

В диссертационный совет Д 212.157.14 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» ОТЗЫВ ОФИЦИАЛЬНОГО ОППОНЕНТА доктора физико-математических наук, профессора, члена-корреспондента РАН Петрени Юрия Кирилловича на диссертационную работу Рогалева Андрея Николаевича на тему: «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 и 05.04.12 — Турбомашины н комбинированные турбоустановки Актуальность темы исследования Технологической основной выработки электрической энергии во многих странах являются паротурби нные электростанции, работающие на различных видах углеводородного топлива.

И Россия не является исключением. В силу существенного прогресса в создании парогазовых установок, обеспечивающих достаточно высокие значения КПД, достигающие 60-62 ',4, основным видом топлива для новых паротурбинных энергоблоков становится энергетический уголь, доля которого в структуре потребления органического топлива отечественными тепловыми электростанциями составляет значительные 26 ',4 и в перспективе будет увеличиваться в силу очевидной необходимости диверсификации топливно-энергетического баланса, что предусмотрено действующей энергетической стратегией России до 2030 г.

Истощение разведанных запасов органического топлива со временем приведет к неизбежному росту цен на энергоносители и, как следствие, к росту цен на электроэнергию. Ответом на подобные вызовы должно стать повышение эффективности паротурбинной технологии, являющейся основным методом преобразования теплотворной способности топлива в электрическую энергию. Паротурбинные блоки обладают высокой надежностью, хорошими маневренными характеристиками, относительно низкими капитальными затратами и операционными издержками. Единственным способом значительного повышения КПД паротурбинных энергоблоков является повышение начальных параметров пара. Сегодня в мире эксплуатируется несколько десятков ТЭС, начальные параметры пара которых составляют 28-30 МПа ~ 600~620 'С.

В России также многое сделано для перехода на повышенные параметры пара, в частности ПАО «Силовые машины» разработана турбоустановка К-660-300 (30 МПа ~ 600/600 'С). Мировыми лидерами знергомашиностроения активно ведутся исследовательские работы с целью создания исследовательские работы с целью создания научно-технического задела для дальнейшего повышения параметров пара до ультрасверхкритического уровня (33-35 МПа 1 700-760'С).

Однако существенное повышение начальной температуры пара сопряжено со значительным увеличением стоимости нового энергетического оборудования. Основным фактором роста стоимости паровых турбин и котельных агрегатов является увеличение доли жаропрочных высоколегированных дорогостоящих сталей и сплавов в структуре металлозатрат, а также увеличение массогабаритных характеристик оборудования. В связи с этим высокую актуальность приобретает разработка технических решений, обеспечивающих снижение расхода жаропрочных материалов на изготовление энергетического оборудования при сохранении высокого уровня экономичности и надежности.

Внедрение подобных разработок повысит конкурентоспособность нового энергетического высокотемпературного оборудования и будет способствовать в конечном счете повышению эффективности использования энергетических ресурсов и снижению удельных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Совокупность технических решений, обеспечивающих значительное снижение стоимости оборудования при сохранении высокого уровня его эффективности„расчетно- экспериментальных методов выполнения научных исследований, обеспечивающих снижение трудоемкости исследовательских процессов, моделей и методики оценки финансово-экономического эффекта от использования результатов разработки является серьезным подспорьем для развития энергомашиностроения и повышения эффективности функционирования теплоэнергетики. Содержание работы Диссертационная работа Рогалева А.Н.

включает в себя введение, пять глав, заключение и список литературы. В первой главе автором проведен анализ современного состояния и перспектив развития мирового энергомашиностроения. Справедливо отмечено, что повышение КПД выработки электроэнергии неразрывно связано с ростом начальных давления и температуры, которые для классической паротурбинной технологии в перспективе могут достигнуть 35 МПа / 700-760 'С, что обеспечит КПД нетто по выработке электроэнергии на уровне 49-52 '.4. Проанализировав существующие данные по изменению структуры металлозатрат и приняв во внимание технологические„прочностные и экономические характеристики современных жаропрочных материалов, соискателем сделан вывод о необходимости снижения расхода дорогостоящих сталей и сплавов„для чего предложено разработать ряд технических решений.

Рассмотрены существующие концептуальные решения, обеспечивающие в том или ином виде сокращение расхода аустенитных сталей и никелевьгх сплавов при изготовлении энергетических котлов и паровых турбин. В качестве одного из наиболее эффективных способов снижения стоимости оборудования Рогалевым А.Н. выделено применение водородного перегрева пара, реализация которого на практике, по сути, позволяет вынести высокотемпературный перегрев из поверхностей нагрева котла в специальную камеру сгорания, расположенную в непосредственной близости от паровой турбины, что обеспечит сокращение металлоемкости котла и снижение расхода жаропрочных сплавов на главные паропроводы. Автором показана возможность повышения параметров пара в энергоблоках с водородным перегревом вплоть до температуры пара на паровпуске равной 1600 'С.

В своих рассуждениях соискатель опирается на существующий опыт газ отурбостро ения, где благодаря охлаждаемым деталям горячего тракта достигаются столь высокие начальные параметры. Также проанализирован существующий научно-технический задел по системам охлаждения высокотемпературной проточной части паровой турбины и сформулирован вывод о необходимости выполнения дальнейших исследований в рассматриваемом направлении для получения систем охлаждения, способных поддерживать температуру металла на уровне 550-600'С при перегреве пара, сопоставимым с начальной температурой газов на входе в газовую турбину. Принимая во внимание то, что охлаждаемые части перспективного оборудования являются наиболее ответственными и высокотехнологичными элементами перспективных турбин, автор провел анализ существующих расчетно-экспериментальных методов проектирования таких деталей, включающих активное использование аддитивных технологий.

Универсальный характер разработанных способов снижения металлоемкости энергетического оборудования и предложенных подходов к разработке новых решений позволил спроецировать их на АЭС: были рассмотрены существующие предложения по огневому перегреву пара за счет сжигания водорода, перегрев пара выхлопными газами ГТУ. В конце главы рассмотрены существующие подходы к прогнозированию стоимости энергетического оборудования, применимые на начальной стадии проектирования. Сделан вывод о необходимости разработки новых моделей и инструментов оценки стоимостных характеристик для установления взаимосвязи между финансово-экономическими характеристиками перспективных энергоблоков и основными схемными и конструкторскими решениями.

Во второй главе изложены результаты структурно-параметрической оптимизации тепловых схем высокотемпературных энергоблоков, работающих на различных видах топлива: только на органическом, на органическом и водородном, на ядерном и органическом. Соискателем определены значения или диапазоны значений основных параметров тепловых схем (давление промежуточного перегрева, температура питательной воды), при которых обеспечиваются максимальные значения эффективности при увеличении начальных параметров.

Проведена оценка прироста КПД при переходе от ССКП к УСКП пара. Применительно к угольно-водородному энергоблоку путем вариантных модельных расчетов предложенной тепловой схемы определено изменение КПД от температуры перегретого пара для различных значений температур свежего пара. Установлен достижимый в перспективе диапазон значений КПД брутто в границах от 47„5 % (для ССКП параметров) до 70,5 % (при перегреве до 1200 'С). В целях нивелирования увеличения стоимости энергоблока автором предложена оригинальная горизонтальная компоновка котельного агрегата, предполагающая его размещение параллельно турбоустановке и обеспечивающая сокращение длины главных паропроводов более чем в три раза по сравнению с котлом башенной компоновки.

Соискателем также проработан вопрос охлаждения паровой турбины: предложена схема охлаждения, получено функциональное выражение для определения относительного расхода охлаждающего агента в зависимости от требуемой глубины охлаждения и начальной температуры пара, получено выражение для оценки снижения мощности паротурбинной установки от использования охлаждения.

Согласно представленным оценкам потеря экономичности при реализации системы охлаждения составляет порядка 0,4 %. Приведены оценки увеличения мощности энергоблока вследствие использования водородного перегрева, увеличивающего массовый расход пара, поступающего в турбину. Для АЭС повышение начальной температуры пара с 270 до 600-620 'С увеличивает единичную мощность энергоблока с 1000 до 2000 МВт.