Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. По данным международного энергетического агентства более 40 % выработки электроэнергии осуществляется на основе угольного топлива и более 10 % – на базе ядерного. Как на атомных, так и на тепловых угольных электростанциях наиболее широкое распространение получили энергоустановки, работающие по паротурбинной технологии. Таким образом, именно на паротурбинных электростанциях осуществляется выработка свыше 50 % всей электрической энергии в мире, что и определяет актуальность повышения энергетической эффективности паротурбинных энергоустановок. Оборудование, используемое в установках рассматриваемого типа, достигло высокого уровня совершенства, и существенного повышения экономичности можно ожидать только 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 самым достижение 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. В атомной энергетике основным сдерживающим фактором является ограниченный уровень параметров ядерного реактора. Внедрение способов повышения параметров генерируемого ядерной паропроизводящей установкой пара ограничивается требованиями соблюдения ядерной безопасности. Освоение высокотемпературных энергоблоков на угольных электростанциях связано как с техническими проблемами, обусловленными в большей степени надежностью работы применяемых 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 мировая теплоэнергетика уже сделала реальные шаги к массовому переходу на суперсверхкритические параметры пара (ССКП – 30 МПа, 600/620 С) и активно продолжает исследования и разработки в области создания энергоустановок с ультрасверхкритиче-скими параметрами (УСКП – 35 МПа, 700/720 С). Отечественная наука планирует активно участвовать в разработке новых высокотемпературных паротурбинных технологий производства электрической энергии. Согласно разработанной дорожной карте российской технологической платформы «Экологически чистая тепловая энергетика высокой эффективности» уже с 2021 г. планируется освоение новых высокоэффективных энергоблоков на ультрасверхкри-тические параметры пара, обеспечивающих выработку электроэнергии с КПД свыше 50 %. Осуществляется государственная поддержка проектов за счет средств федеральной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», целью которых является проведение исследований в области создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов на базе 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 на основе оптимизации параметров и структуры тепловой схемы энергетических установок, путем совершенствования конструкций основного и вспомогательного оборудования, создания новых материалов и защитных покрытий, способных длительно работать при высоких температурах и давлениях, отработки технологий изготовления деталей из новых материалов. Несмотря на прилагаемые усилия при выполнении проектов, направленных на решение этой актуальной проблемы, 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. Туманов-ского, А.Д. Трухния, А.С. Седлова, Е.В. Дорохова Э.Х. Вербовецкого, А.Г. Костюка, Л.А. Хо-менка, 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, А.Н. Байра-мова, 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 А.В. Дуба, В.Н. Скоробогатых, С.И. Феклистова, S.A. McCoy, R. Viswanathan, J. Klwer, I.G. Wright.
Усилия большинства исследователей направлены на обеспечение технической достижимости создания 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 совокупности прогнозных моделей оценки стоимости нового оборудования в сочетании с использованием приемов и методов функционально-стоимостного анализа на ранних этапах его создания обеспечит возможность 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:
-
Разработка совокупности научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих снижение затрат на создание оборудования при обеспечении его максимальной эффективности для перспективных высокотемпературных энергетических комплексов нового поколения на основе расчетно-экспериментальных исследований.
-
Разработка совокупности методов и моделей для проведения расчетно-экспериментальных исследований, необходимых при формировании научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих создание высокотемпературных энергетических комплексов и их оборудования с повышенными технико-экономическими показателями.
-
Создание испытательного комплекса, программ и методик проведения испытаний, обеспечивающих экспериментальные исследования аэродинамических, гидравлических и тепловых процессов с целью подтверждения работоспособности и эффективности новых технических решений.
-
Разработка научно-обоснованных предложений по формированию структуры и выбору параметров тепловых схем перспективных высокотемпературных энергетических комплексов на органическом, ядерном и водородном топливах на основе оптимизационных исследований, и формирование конструктивного облика основного оборудования и компоновочных решений с использованием приемов и методов функционально-стоимостного анализа, применение которых обеспечивает достижение максимального уровня эффективности при минимальных затратах.
-
Исследование влияния технических решений на финансово-экономические и инвестиционные показатели перспективных высокотемпературных энергетических комплексов.
Научная новизна диссертационного исследования:
Разработана совокупность научно-технических решений, обеспечивающих техническую возможность и экономическую целесообразность создания мощных высокотемпературных энергетических комплексов нового поколения на основе паротурбинных технологий:
в результате расчетно-экспериментальных исследований на основе созданных математических и физических моделей определено влияние формы и взаимного расположения холодных воронок и горелочных устройств на аэродинамику горизонтально-ориентированных топочных камер. С использованием полученных результатов разработана конструктивная схема топки и предложена 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 функционирование угольно-водородных энергетических комплексов, на основе которых определены требования к водородно-кислородным камерам сгорания, для которых на базе результатов математического моделирования разработана конструктивная схема. Основываясь на полученных результатах, предложен способ сокращения использования жаропрочных материалов в котельном агрегате за счет осуществления перегрева пара свыше 540-600 С не в поверхностях нагрева котла, а в водородно-кислородных пароперегревателях, установленных в непосредственной близости от паровой 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 стоимость турбины 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 конструктивных схем на аэродинамическую эффективность проточных частей. На основе полученных результатов предложен способ, обеспечивающий снижение металлоемкости турбин мощностью 300-1200 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 математических 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, части низкого давления, выхлопного отсека, применимые для проектирования широкого класса турбомашин.
Разработан комплекс математических моделей, позволяющий оценивать металлоемкость и стоимость изготовления нового оборудования перспективных высокотемпературных энергетических комплексов на ранних стадиях его создания. Установлены зависимости металлоемкости и 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 зависимости от 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 выбору рабочих 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 методов функционально-стоимостного анализа сформирован конструктивный облик основного оборудования и предложены компоновочные решения высокотемпературных энергетических комплексов, применение которых обеспечит достижение максимального уровня эффективности при минимальных затратах.
Практическая значимость работы. В работе исследованы технологии производства электрической энергии на высокотемпературных паротурбинных установках, в том числе гибридного принципа действия. Разработаны новые научно-технические решения, обеспечивающие возможность практической реализации предлагаемых технологий. Разработаны методы и модели оценки стоимости нового оборудования и высокотемпературных энергетических комплексов.
Полученные автором результаты исследований тепловых схем энергетических комплексов с повышенными параметрами пара, а также разработанные рекомендации по проектированию схем использовались при выполнении научно-исследовательских работ в ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», которые затрагивали вопросы исследования высокотемпературных энергоустановок, в том числе гибридных с водородным перегревом пара. Материалы диссертации использовались при проведении занятий со студентами и аспирантами по направлению подготовки «Теплоэнергетика» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».
На защиту выносятся следующие результаты:
Совокупность научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих снижение стоимости высокотемпературных энергетических комплексов:
новая компоновка пылеугольного котельного агрегата с горизонтально расположенной топочной камерой;
конструктивная схема цилиндра низкого давления с двухъярусной проточной частью повышенной пропускной способности;
способ реализации перегрева пара свыше температуры 540-600 С в водородно-кислородных пароперегревателях, установленных в непосредственной близости от паровой турбины;
схема перспективного высокотемпературного энергетического комплекса с охлаждаемой паровой турбиной.
Результаты исследования тепловых схем перспективных высокотемпературных энергетических комплексов на органическом, водородном и ядерном топливах посредством математического моделирования, в том числе энергоблоков с ультрасверхкритическими параметрами пара, гибридных угольно-водородных ТЭС и гибридных АЭС.
Новая методология проектирования научно-обоснованных технических решений, базирующаяся на комплексном применении расчетных и экспериментальных методов исследований с изготовлением моделей по аддитивной технологии.
Методика проектирования теплонапряженных охлаждаемых деталей высокотемпературных энергоустановок на основе опережающей верификации математических моделей.
Математическая модель отсека паровой турбины с охлаждаемой проточной частью.
Совокупность моделей прогнозной оценки стоимости оборудования перспективных высокотемпературных энергетических комплексов.
Результаты исследования влияния новых научно-технических решений на финансовые и инвестиционные показатели перспективных высокотемпературных энергетических комплексов.
Достоверность. Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлена применением современных методов решения теплотехнических задач, методов математического моделирования и оптимизации с использованием хорошо зарекомендовавших себя в мировой практике проведения исследований программных комплексов. Результаты математического моделирования подтверждены физическим экспериментом.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: Power System Engineering, Thermodynamics and Fluid Flow (Пльзень, Чехия, 2007, 2011, 2016); Computational Methods in Applied Science and Engineering (Венеция, Италия, 2008); Compressor and Turbine Flow Systems, Theory and Applications Areas (Лодзь, Польша, 2008, 2011); Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics (Грац, Австрия, 2009; Стокгольм, Швеция, 2017); Research and Development in Power Engineering (Варшава, Польша, 2009); Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических технологиях (Москва, Россия, 2011); Energy Production and Management in the 21-st Century (Екатеринбург, Россия, 2014); Инновационная экономика и промышленная политика региона (Санкт-Петербург, Россия, 2014); Energy and Sustainability (Медельин, Колумбия, 2015); Уголь-ЭКО (Москва, Россия, 2016); Современные проблемы теплофизики и энергетики (Москва, Россия, 2017).
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследования, разработка и обоснование всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость, постановка экспериментов, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и рекомендаций. Автор принимал непосредственное участие в создании экспериментальных установок и проведении расчетно-экспериментальных исследований предлагаемых научно-технических решений.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 научных работ, в том числе 16 статей в периодических изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для опубликования основных результатов диссертационных исследований на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, 13 статей – в журналах, входящих в международные базы цитирования Scopus и Web of Science, 16 докладов в сборниках трудов международных конференций, 6 патентов.
Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на 366 страницах основного текста, включающего 257 рисунков и 64 таблицы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 320 источников.