Введение к работе
Актуальность проблемы. Улучшение экологических характеристик и повышение эффективности, организация энергосбережения относятся к основным задачам современного топливо-энергетического комплекса страны. Известно, что экономика страны, жизненный уровень её населения во многом определяются количеством электроэнергии, вырабатываемой на душу населения. Топливно-энергетические комплексы развитых стран вынуждены работать в условиях строжайшей экономии первичных ископаемых углеводородных ресурсов. Это требует внимания к промышленному производству тепла и электричества. Технологические цепочки их производства существенно отстают от современных требований по коэффициенту преобразования первичных энергетических запасов в конечный полезный продукт. С этой точки зрения, разрабатываемые в диссертации задачи относятся к числу актуальных.
Цель работы. На основе имеющегося фактического материала провести термодинамический анализ форсированных ПТУ и перспективных технологий утилизации при производстве тепла и электроэнергии, а также в других энергоемких отраслях (нефте-газо перекачка), проанализировав пути повышения их эффективности за счет внедрения новых технологий перегрева пара и разработки для этих целей оригинальных вихревых противоточных водород-кислородных камер сгорания.
Достижение поставленной цели требует решения ряда задач:
Разработать методику термодинамического анализа комбинированных ПТУ с водород-кислородным перегревом водяного пара относительно низкой температуры.
Выбрать оптимальный вариант технологической цепочки утилизации тепла уходящих газов.
Спроектировать, разработать, изготовить и провести исследование рабочего процесса противоточной водород-кислородной камеры сгорания (КС) с обеспечением температуры перегретого пара 1200 К.
Осуществить оценку предельно допустимого подогрева низкопотенциального пара с учетом современной рыночной цены производства водорода.
Методы исследования:
аналитические, построенные на основных термогазодинамических законах и положениях с учетом реальных теплофизических свойств веществ;
численные методы с их верификацией;
методы постановки теплофизического эксперимента.
Научная новизна:
термодинамический анализ энергосберегающих технологий производства электроэнергии форсированием циклов с утилизацией тепла позволил теоретически обосновать превалирующее значение повышения температуры пара в нижнем паросиловом цикле применением высокотемпературного водород-кислородного перегрева для достижения значений электрического кпд ПГУ 60 % и более;
технико-экономический анализ процесса форсирования цикла комбинированной энергоустановки за счет роста параметров перед турбинами с учетом существующих цен на производство водорода позволил установить, что эффективная температура перегретого пара не должна превышать 1000 -^ 1200 К;
- впервые поставлена задача перегрева пара с использованием горения во
дород-кислородной смеси в среде низкотемпературного водяного пара и противо-
точной схемой течения, решение которой позволило теоретически и эксперимен
тально обосновать критерии надежного запуска, устойчивого горения, эффектив
ного охлаждения теплонагруженных элементов, достижения полноты сгорания
Лп.с — 0,999 и практически их подтвердить на созданной вихревой противоточной
камере сгорания.
На устройство КС подана заявка на выдачу патента РФ.
Достоверность и обоснованность научных положений определяется:
использованием фундаментальных законов и уравнений теплофизики, технической и химической термодинамики, гидро- и газодинамики с соответствующими граничными условиями, современных методов реализации математических моделей;
постановкой опытов с использованием современного научного оборудования прошедшего необходимую аттестацию в соответствующих организациях, имеющих право на госпроверку.
Подтверждается адекватным совпадением расчетов с опытными данными и известными результатами других авторов.
Практическая значимость. Разработана методика расчета и термодинамического анализа комбинированных ПГУ с перегревом пара в водород-кислородных вихревых противоточных камерах сгорания. Определен конструктивный облик устройства такой КС и проведены её опытные испытания, подтвердившие надежность рабочего процесса и достижение рассчитанных параметров.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на шести Российских и международных конференциях: I Международной научно-технической конференции «Энергетические установки: Тепломассообмен и процессы горения», Рыбинск, 2009 г.; пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5), Москва, 2010 г.; четвертой международной
конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», Москва, 2011 г.; XVII и XVIII международных Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева, Жуковский, 2009 г., Звенигород, 2011 г.; международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара 2011 г.
Публикации: ключевые положения опубликованы в 9 научных работах, 3 из них в рецензируемых изданиях по списку ВАК.
Объём работы: диссертация содержит 194 стр. машинописного текста, 65 рис., 12 таб. и состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и приложения А.
Значительная часть проведенных исследований выполнялась в рамках государственных контрактов № 02.516.11.6021 от 26 апреля 2007 г., № 02.740.11.0414 от 30 сентября 2009 г.; № 02.516.11.602; № 05-08-33942; гранта Президента МК-4477.2009.8 (договор № 02.120.11.4477-МК); Ведущая научная школа № 02.516.12.0009; ГБ НИР №1.120.08.
