Диссертация (Исследование схем и параметров энергоустановок ТЭС на основе открытых интерактивных сетевых расчетов)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«Национальный исследовательский университет «МЭИ»Кафедра тепловых электрических станцийНа правах рукописиЧжо Ко Ко«Исследование схем и параметров энергоустановок ТЭС на основеоткрытых интерактивных сетевых расчетов»ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИКАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК05.14.14 – «Тепловые электрические станции, ихэнергетические системы и агрегаты»Научный руководительдоктор технических наук, профессорОчков Валерий ФедоровичМосква2016 г.1СОДЕРЖАНИЕОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ4ВВЕДЕНИЕ81Общая характеристика работы122Анализ существующих теплосиловых схем энергоустановок и баз 22данных о свойствах рабочих тел для энергетики2.1Базы данных222.2Газотурбинные и паротурбинные установки232.3Комбинированные и другие установки ЭУ262.4Выводы273Методическая часть283.1Открытые интерактивные алгоритмы283.2Открытые Интернет - ресурсы323.3Разработка облачной базы данных373.3.1Структура базы ОБД403.3.2Функции базы ОБД433.4Открытые интерактивные алгоритмы, описывающие теплофизические 47свойства R рабочих тел3.5Выводы544Разработка Интернет - ресурсов и прикладные расчеты564.1Теплосиловые схемы установок ЭУ564.2Термодинамические процессы и циклы установок ЭУ584.3Теплофизические расчеты энергетических критериев Z для установок 60ГТУ4.4Теплофизические расчеты энергетических критериев Z для установок 106ПГУ – КУ и ПГУ - ТЭЦ4.5Выводы1565Формирование базы ОБД и исследование ее функционирования1585.1Создание веб – сайта и наполнение базы ОБД1585.2Режимы работы базы ОБД1605.3Выводы1626ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ16427СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ166ПРИЛОЖЕНИЕ А.172ПРИЛОЖЕНИЕ Б175ПРИЛОЖЕНИЕ В210ПРИЛОЖЕНИЕ Г213ПРИЛОЖЕНИЕ Д214ПРИЛОЖЕНИЕ Е2153ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯВ настоящей диссертационной работе приняты следующие обозначения исокращения:ЭУ – энергоустановка,ПГУ – КУ - парогазовая установка с котлом – утилизатором,ПГУ –ТЭЦ - парогазовая установка с блоком теплофикационного отбора,ТЭС – теплоэлектростанция,ВВЭР - водо – водяной энергетический реактор,РБМК – реактор большой мощности канальный,КЭС – конденсационная электростанция,К – компрессор,ГТ_1 – газовая турбина 1,КС1 - камера сгорания 1,ТК – топливный компрессор,IT – Интернет - технология,BS - базовый сервер,ОБД - облачная база данных,«OI – алгоритм» - открытый интерактивный алгоритм,«OI – ресурс» - открытый интерактивный ресурс,«ЕI – ресурс» – «exe – file» или закрытый Интернет – ресурс,Algor – OI – csplain_3.1(ρ,Y, (http:\\klm),key(def)) - наименование алгоритма, здесьв имени алгоритма:1) «Algor – OI» - имя, указывающее на то, что данный алгоритм являетсяоткрытым и интерактивным,2) csplain – имя, указывающее на метод расчета, а также имя вещества (Air) и др.,3) ρ – плотность вещества и др.;4) Y - граничные условия/параметры,5) (http://klm) – URL - адрес, например:http://twt.mpei.ac.ru/TTHB/kyawkoko/MCS/Worksheets/tps/tab1_2_1_pt.xmcd,6) key(def) – ключ/пароль в виде строковой переменной, включающей 12символов,7) 3.1 – номер алгоритма,4Res – OI – csplain_3.1 (ρ,U,(http://klm), key(def)) - наименование ресурса, здесь вимени ресурса:1) «Res – OI» – имя, указывающее на то, что данный ресурс является открытым иинтерактивным,2) ρ – плотность, вычисляемая данным ресурсом,3) U = (Р,Т …) - входные данные,4) 3.1 – номер.Критерии ZZ1 = Э = COP Э – электрический КПД установки ЭУ,Z2 = i – внутренний КПД установки ЭУ,Z3 = t - термический КПД установки ЭУ,Z4 = φcomp = lt_comp ∕qt_l - относительная работа компрессора,Z5 = lгт_д - реальная работа блока ГТ,Z6 = Nк - мощность компрессора,Z7 = lтк - работа ТК при изоэнтропном сжатии,Z8 = lтк_д – действительная работа ТК,Z9 = NЭ – электрическая мощность ЭУ,Z10 =ηoi_gt– относительный внутренний КПД газовой турбины,Z11 =ηoi_com – относительный внутренний КПД компрессора,Z12 = Gг - расход газа через ГТ,Z13= Вт – расход топлива,Z14 = Q1 – теплота, подведенная в ГТУ,Z15 = Nтк - мощность ТК,Z16 = Nгт - мощность ГТ,Z17 = Nгту мощность электрогенератора ГТУ,Z18 = lк_1 - работа изоэнтропического сжатия в компрессоре 1,Z19 = Gгт_1 – расход газа через ГТ_1,Z20 = Gгт_2 = 1.022 kgg/sec (килограмм газа / с) – расход газа через ГТ_2,Z21 = Gгт_3 = 1.027 kgg/sec (килограмм газа / с) – расход газа через ГТ_3,Z22 = Вкс1 = 0.0181 kgf/sec (килограмм жидкости / с) – расход топлива в КС1,Z23 = Вкс2 = 0.0039 kgf/sec (килограмм жидкости / с) – расход топлива в КС2,Z24 = Вкс3 = 0.0048 kgf/sec (килограмм жидкости / с) – расход топлива в КС3,Z25 = lк_1_Д - действительная работа сжатия,5Z26 = li – внутренняя работа компрессора,Z27 = lк: работа компрессора,Z28 = N.гту - электрическая мощность ГТУ,Z29 = N.пгу - электрическая мощность ПГУ,Z30 = N.пту - электрическая мощность ПТУ,Z31 = Q.1_пгу - теплота, подведенная в ПГУ ,∆Z2(t3Г, …) - увеличение критерия Z2 при вариации параметра Y2 = t3Г в заданноминтервале ∆Y2 ,∆Z2(πk, …) - увеличение критерия Z2 при вариации параметра Y3 = πk в заданноминтервале ∆Y2 ,∆Z2(k, …) - увеличение критерия Z2 при вариации параметра Y4 = k в заданноминтервале ∆Y2 ,,∆Z2(t, …) - увеличение критерия Z2 при вариации параметра Y6= t в заданноминтервале ∆Y2 ,∆Z2(πГТ_i, …) - увеличение критерия Z2 при вариации параметра Y7 = πГТ_i взаданном интервале ∆Y2 ,∆Z2(πk_i, …) - увеличение критерия Z2 при вариации параметра Y5 = πk_i в заданноминтервале ∆Y2.Теплофизические свойства RR1 = ρ – плотность, R2 = h – энтальпия, R3 = s- энтропия, R4 = v – удельный объем,R5 = cp - изобарная теплоемкость, R6 = λ - теплопроводность,R7 = μ - динамическая вязкость.Граничные условия YY1 = pt1 – максимальное давление в таблице M,Y2 = t3Г - температура на входе в турбину №1,Y3 = πk - степень повышения давления в компрессорном блоке,Y4 = k – число ступеней сжатия воздуха,Y5 = π k_i - степень сжатия воздуха перед промежуточным охлаждением,Y6 = t - число ступеней расширения воздуха,Y7 = πГТ_i - степень расширения газа перед промежуточным подводом теплоты втурбинах,Y8 = t.7п = 60 оС - предельная (минимальная) температура газов на выходе блокаКУ,Y9 – температура на выходе блока турбин,6Y10 = t1Г - температура воздуха для охлаждения лопаток турбины,Y11 = tСТ - допустимая температура поверхности лопаток турбины,Y12 = t2Г температура газа при промежуточном перегреве,Y13 = t.гт_вых_д - температура газов на входе в КУ,Y14 = t.7г - температура газов на выходе из КУY15 = t.1п = 560 оС предельная (минимальная) температура газов на входе в КУ,ΔY = Ymax - Ymin - интервал значений Y, в котором варьируется заданный параметрпри оптимизационных испытаниях установки ЭУ.Входные данные UU1 = р – давление вещества,U2 = Т – температура вещества,U3 = 0i_Т – внутренний относительный КПД газовой турбины,U4 = Gвх – массовый расход,U5 = Фвх – относительная влажность рабочего тела,U6 = pвх – давление на входе в данный блок.7ВВЕДЕНИЕДиссертация посвящена расчетно - теоретическому исследованию техническихрешений для ряда энергоустановок, в том числе решений, которые связаны степлосиловыми схемами и методами расчета КПД и других характеристик циклов,относящихся к перспективным энергоустановкам (ГТУ, ПГУ, ПГУ – КУ и др.).

Припостановке задачи выбраны комплексные энергоустановки (ЭУ), которые, во – первых,нашли применение в энергосберегающих технологиях, и, во – вторых, допускаютмодернизацию теплосиловой схемы с целью повышения КПД и/или улучшения другиххарактеристик установки ЭУ. Так, сделан анализ образцов ГТУ (фирма GeneralElectric, фирма Siemens, фирма Mitsubishi, фирма Alstom и др.), в которых реализованытакие мероприятия по модернизации базовой ГТУ, как:1) увеличение числа ступеней турбины,2) увеличение степени повышения давления компрессора,3)комбинированноепаровоздушноеохлаждениелопаточногоаппарататурбины,4) применение блоков промежуточного охлаждения циклового воздуха вкомпрессорном блоке,5) применение блоков промежуточного перегрева газа при расширениитурбинном блоке.Анализ показывает, что в ряде случаев модернизация известных установок ЭУ сцелью повышения КПД производится, во – первых, за счет внесения тех или иныхдополнительных блоков (например, дополнительные камеры сгорания в ГТУ) вбазовую установку ЭУ и, во – вторых, за счет оптимизации рабочих режимовустановки ЭУ, (например, оптимизация как общей степени сжатия в компрессоре ГТУ,так и степени сжатия отдельных ступеней компрессора.При постановке задач диссертации выбраны комплексные энергоустановки (ЭУ),которые, во – первых, используются в энергосберегающих технологиях и, во – вторых,довускают модернизации теплосиловой схемы с целью повышения КПД и/илиулучшения других характеристик.

Во – вторых, рассматрены такие технологии, гдевзаимосогласовано вырабатываются электроэнергия и тепловая энергия. В – третьих,8выявленытипчныевопросы,которыевозникаютприпроектированиииусовершенствовании указанных установок ЭУ, а также связаны:а) с энергосбережением,б) с повышением энергоэффективности технологий по сравнению с известнымианалогами,в) с экологической безопасностью рассматриваемых технологий.Основное внимание уделено комплексным установкам ЭУ, которые:1) имеют сложную многоблочную структуру (например, газотурбинная установка(ГТУ), содержащая многоблочный компрессор, многоблочную турбину, несколькокамер сгорания и пр.),2) вырабатывают электроэнергию (Lэ) и тепловую энергию (Qt), расходуютэнергию на работу компрессоров (Lк) и генерируют теплоту (Qкс) в камере сгорания(например, камера сгорания парогазовой установки (ПГУ)).При проектировании подобных установок необходимо:а) согласовывать работу комплектующих блоков между собой,б) согласовывать работу этих блоков с внешними технологическими параметрами(например, параметры суточного графика выработки тепла и электроэнергии).В указанных задачах важную роль играют такие этапы, как:1) расчет теплофизических свойств рабочего тела R = (v, h, s, λ …) в заданныхточках цикла или теплосиловой схемы ЭУ, здесь v – удельный объем, h - энтальпия, s–энтропия и т.