Введение к работе
Актуальность проблемы. Конец XX века характеризуется формированием крупных систем для обеспечения электроэнергией и теплом потребителей. Это привело к централизации энергосистем, характеризующейся высокими капитальными затратами, монополизмом в выработке электроэнергии и тепла, сложностью управления такими системами и другими факторами. В 80-е годы в развитых странах и в России наметилась тенденция к децентрализации энергоснабжения.
Электроэнергетика в России в настоящее время переживает глубокий кризис, причинами которого являются: резкое сокращение в последние годы строительства новых крупных электростанций (атомных, тепловых и гидравлических); использование в прежние годы при техническом перевооружении ТЭС в ряде случаев морально устаревшего серийного оборудования; длительное отставание ввода в действие новых энергомощностей, что привело к росту доли устаревшего оборудования, уже исчерпавшего ресурс или приближающегося к этому сроку.
Прогнозируемое к 2000 году увеличение потребления электроэнергии до 1! 50 . . 1250 млрд. кВт-ч в год требует поиска новых путей развития энергоснабжения.
Современное состояние отечественной экономики и энергетики позволяет но новому оценить роль автономных энергетических установок (АЭУ) малой мощности (от десятка киловатт до нескольких мегаватт) различного назначения, которые занимают значительное место в проекте электроэнергетической программы России.
Данная работа посвящена разработке научно-технических основ создания транспортабельных и стационарных экономичных многорежимных АЭУ малой мощности (до 3 ... 5 МВт) на основе использования паротурбинных тепловых схем с малорасходными турбинами (МРТ), позволяющими получать высокие удельные мощности при ограниченных массогабаритных показателях.
Децентрализованная инновационная политика в области развития ТЭС на органическом топлівзе наряду с созданием современных мощных энергоблоков даст возможность эффективно использовать электростанции малой и средней мощности.
Эффективность использования АЭУ малой мощности определяется:
существенным сокращением сроков их сооружения;
повышением надежности энергоснабжения;
независимостью режима работы энергосистемы;
снижением масштабов отчуждения территории по сравнению с крупным энергетическим строительством;
возможным снижением затрат на охрану окружающей среды. Области использования АЭУ малой мощности:
создание источников энергии для освоения развивающихся районов;
резервирование линий энергопередач, питающих ответственных потребителей энергии, а также восполнение дефицита электроэнергии, вызванного стихийными бедствиями и другими нестандартными ситуациями;
теплоэнергоснабжение энергодефицитных районов Крайнего Севера, Дальнего Востока, некоторых районов Нечерноземья:
теплоэнергоснабжение малых городов, поселков и деревень, во многих нз которых до сих пор не решен вопрос централизованного теплоэнерго-снабжения;
обеспечение теплом и электроэнергией промышленных предприятий, жилищных коттеджей, крупных животноводческих ферм, предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции, поисковых партий газовиков, геологов и др., нуждающихся в электрической, тепловой, механической энергии, подаче воды и сжатого воздуха.
Цель работы - разработка концепции и принципов создания высокоэкономичных многорежимных, многоцелевых АЭУ, обеспечивающих заданные графики нагрузок на основе оптимизации как отдельных элементов, так и АЭУ в целом.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
разработка принципов построения многорежимных, многоцелевых автономных энергетических установок;
исследование и обобщение экспериментальных характеристик МРТ разного типа в широком интервале изменения параметров и режимов работы;
разработка математических моделей многорежимной оптимизации МРТ (традиционных и конструкции ЛПИ);
апробация математических моделей многорежимной оптимизации МРТ по результатам экспериментальных и натурных исследований;
создание математических моделей многорежимной оптимизации основных элементов паротурбинной АЭУ (парогенератор, конденсатор, насосы);
разработка математических моделей нагрузочных устройств различного типа (электрооборудование, насосы, компрессоры, движители судов и морских подводных аппаратов (МПА), механические редукторы);
> создание программного комплекса мисгарежимней оптимизации автономной энергетической установки.
Научная новизна. Диссертационная работа содержит совокупность основных научных положений, выводов, предложений и рекомендаций, полученных в результате проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований, обобщений и оптимизации элементов многорежимнох АЭУ. Научную новизну составляют:
научно-технические и методологические основы для проектирования многорежимных автономных энергетических установок нового класса, повышение экономичности которых достигается не только за счет применения традиционных методов повышения к.п.д. АЭУ, но и за счет выбора геометрических характеристик и параметров рабочего процесса в результате оптимизации на заданные графики нагрузок как отдельных элементов, так и АЭУ в целом;
системный подход к многорежимной оптимизации АЭУ, основанный на сформулированных совокупностях критериев оптимальности, целевых функций и параметров оптимизации, исходных параметров для каждой задачи оптимизации, ограничений, объединенных структурой иерархической модели оптимизации;
математическая модель иерархического типа многорежимной оптимизации ЛЭУ, построенная с использованием функционально-структурной декомпозиции и состоящая из взаимосвязанных математических моделей многорежимной оптимизации элементов тепловой схемы (нагрузочное устройство, механический редуктор, турбина, парогенератор, конденсатор, циркуляционный и конденсатный насосы); эта модель позволяет проводить оптимизацию, многоцелевые численные исследования при различной совокупности исходных конструктивных н режимных параметров;
математические модели многорежнмной оптимизации малорасходных турбин МРТ, сгруппированные в модули, описывающие рабочие процессы в проточной части МРТ (сопловой аппарат, осевой зазор, утечки рабочего тела, активная и неактивная дуги подвода, рабочее колесо, модуль внутренних потерь МРТ); каждый модуль содержит внутренние вычислительные процедуры такие, как решение уравнений, аппроксимация или процедуры логического разветвления;
принципы построения и результаты экспериментальных исследований газодинамических характеристик МРТ конструкции ЛПИ, состоящих из
сопловых аппаратов в углами ОС^ =5...9, рабочих решеток с
9 = 140...164' на номинальном и переменных режимах; » полиномиальные зависимости потерь энергии б элементах проточной части МРТ активного типа как традиционной, так и конструкции ЛПИ, полученные на основании теоретических и экспериментальных исследований и их обобщений, в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров;
обобщенные характеристики сопловых аппаратов, полученные на основе
характеристик одиночных осесимметрнчных сопел, в широком диапазоне
изменения геометрических и режимных параметров с учетом их взаим
ного влияния, а также взаимного расположения сопел.
Практическая ценность работы:
обоснован выбор перспективных схем автономных, многорежимных, многоцелевых и многотопливных АЭУ на основе паротурбинной установки с МРТ, срабатывающими значительные перепады энтальпий; выполненный анализ роли и места АЭУ в энергетике имеют большую практическую ценность для решения проблем децентрализации энерго-теплоснабження, обеспечения электрической и тепловой энергией энергодефицитных районов страны и реализации новой электроэнергетической программы России;
разработаны рекомендации по проектированию многорежнмных турбинных энергетических установок малой мощности с учетом жестких массо-габаритных ограничений, обеспечивающих автономность, транспортабельность, многотопливность и многоцелевое назначение;
разработаны методики, алгоритмы и пакеты прикладных программ, позволяющие осуществлять расчет и выбор оптимальных геометрических и режимных параметров основных элементов паротурбинной установки (малорасходных турбин разного типа, парогенератора, конденсатора,
циркуляционного и конденсатного насосов), а также различных нагрузочных устройств исходя из необходимости обеспечения их работы на различных режимах с учетом ограничений по массогабаритным и эксплуатационным показателям;
разработана модель вычислительного процесса многорежимной оптимизации АЭУ, обеспечивающая заданные графики нагрузок при минимальном расходе топлива, позволяющая проводить оптимизацию и численные эксперименты как АЭУ в целом, так и отдельных ее элементов с учетом их взаимного влияния;
в на основе разработанных научных положений, результатов теоретических и экспериментальных исследований и обобщений получены полиномиальные зависимости потерь энергии в сопловых и рабочих решетках различного типа, которые могут быть использованы при газодинамических расчетах МРТ.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается накопленным научным и практическим опытом при создании энергетических установок специальной техники, применением адекватных математических моделей, апробированных опытными данными различных авторов и результатами численного эксперимента, применением современных методов экспериментальных и численных исследований, обеспечивающих необходимую точность полученных результатов.
Реализация результатов работы. Разработки и рекомендации настоящей работы отражены в проектах ряда научно-технических программ развития автономной энергетики для Министерства топлива и энергетики, Миннауки, Госкомвуза России, Санкт-Петербургской инженерной Академии. Полученные результаты комплексных исследований МРТ использовались и внедрены на предприятиях НПО "Уран", НИИ "Гндроприбор", НИИ "Мортеплотехника" и на ряде других промышленных предприятий России.
Методики расчета, пакеты прикладных программ используются в учебном процессе СПбГТУ при подготовке студентов и аспирантов по энергомашиностроительным специальностям.
Личный вклад автора. В представленной работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с аспирантами и сотрудниками научных групп, возглавляемых автором. При этом автору принадлежит: постановка проблемы и задач теоретических, экспериментальных исследований и их обобщений; разработка концепции, системного подхода и математических моделей многорежимной оптимизации АЭУ, обеспечивающей выбор оптимальных параметров как отдельных элементов, так и АЭУ в целом при заданных графиках нагрузок; непосредсгвенное участие в создании экспериментальных установок, проведении и обработке опытов, анализе и интерпретации полученных результатов.
Апробации работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на: Российской научно-технической конференции "Повышение надежности и маневренности оборудования тепловых и атомных
электростанций" (г. Санкт-Петербург, 1994 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Автономная энергетика" (г. Санкт-Петербург, 1992 г.); Всесоюзной межвузовской конференции (г. Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана,1983 г.); Отраслевой научно-технической конференции "Вопросы повышения надежности и эффективности судовых энергетических установок" (г. Владивосток, 1985 г.); Всесоюзной конференции "Технические средства изучения и освоения океана" (г. Ленинград, 1985 г.); Юбилейной научно-технической конференции (г. Владивосток, 1988 г.); Краевой научно-технической конференции (г. Владивосток, 1990 г.); научных семинарах, заседаниях кафедры и научно-технических Советах в СПбГТУ, НПО "Уран", НПО "Мортеплотехника" и других организациях.
Публикация работ. Основные научные результаты, предложения и положения, вытекающие из представленной диссертационной работы помимо научно-технических докладов, технических отчетов и материалов, изданных Санкт-Петербургским государственным техническим университетом (свыше 50 наименований), опубликованы в 23 статьях и двух монографиях. По теме диссертации имеется 4 авторских свидетельства.
Объем работы. Диссертация состоит их введения, пяти глав, заключения, списка литературы и пяти приложений.