Расчетно-экспериментальные исследования физико-механических процессов, протекающих в оборудовании перспективных энергоустановок

Переход к экологически безопасной ресурсосберегающей энергетике является актуальным трендом в энергетической отрасли, осуществить который возможно за счет внедрения эффективных энергетических комплексов с малым негативным воздействием на окружающую среду. Ключевыми особенностями подобных установок являются кислородное сжигание топлива и интегрированные системы аккумулирования. Однако для их разработки необходимо сформировать научные основы создания нового оборудования и разработать новые методы проектирования, основанные на цифровых технологиях, обеспечивающие сокращение времени постановки на производство нового оборудования. Целью проекта является формирование научных основ перехода к экологически безопасным энергетическим комплексам с кислородным сжиганием топлива и интегрированными системами аккумулирования энергии и создание методических основ цифровых способов конструирования перспективного оборудования на базе расчетно-экспериментальных исследований физико-механических процессов. Для достижения поставленной цели необходимо выполнить комплекс научно-исследовательских работ, включающий в себя: 1) проведение структурно-параметрической оптимизации тепловых схем перспективных энергетических установок, а также разработку методологии построения траектории устойчивого развития электроэнергетики в среднесрочной и долгосрочной перспективе; 2) выявление основных факторов, влияющих на точность математического моделирования, формирование алгоритма разработки рекомендаций по применению методов численного моделирования, а также разработку базы данных для хранения результатов экспериментальных исследований физических процессов, протекающих в каналах энергетического оборудования; 3) формирование рекомендаций по выбору настроек расчетной сетки и решателя, а также исследование границ применимости полуэмпирических моделей турбулентности с широкой областью использования, включающей задачи по моделированию течений в ответственных деталях и частях основного энергетического оборудования; 4) формирование рекомендаций по применению аддитивных технологий для производства охлаждаемых лопаточных аппаратов газовых и паровых турбин, а также разработку систем интенсификации теплообмена, обеспечивающих минимальный расход хладагента; 5) разработку моделей гидрогазодинамических и тепломассообменных процессов в элементах энергетического оборудования с учетом циклов работы интегрированных систем аккумулирования энергии; 6) разработку методологии построения траектории устойчивого развития электроэнергетики. Объектом исследования являются высокотемпературные энергетические установки, используемые для производства электроэнергии и тепла. Методология проведения исследований включает в себя структурно-параметрическую оптимизацию на основе вариантных расчетов, методы экономико-математического и функционально-стоимостного анализа, методы конечно-элементного анализа, экспериментальные методы исследований. В рамках этапа 2 проекта достигнуты следующие научные результаты: 1) получены новые знания о структуре течения в проточной части паровой и углекислотной турбин, а также предложены научно обоснованные технические решения, обеспечивающие высокий уровень их газодинамической эффективности; 2) разработаны новые системы интенсификации теплообмена для охлаждающих каналов лопаток паровых и углекислотных турбин, а также рекомендации по применению аддитивных технологий для производства деталей горячего тракта; 3) получены новые результаты исследований процессов горения кислородно-топливной смеси в средах различных разбавителей и разработаны научно обоснованные технические решения для пылеугольных котлов с кислородным сжиганием топлива, водородно-кислородных камер сгорания и камер сгорания для сжигания метана с кислородом в среде диоксида углерода и в среде водяного пара; 4) разработаны новые решения по снижению негативного воздействия объектов генерации на окружающую среду. Разработанные в рамках этапа 2 проекта научно-технические решения позволят на этапе 3 проекта уточнить результаты моделирования тепловых схем, осуществить интеграцию систем аккумулирования энергии в основную тепловую схему ТЭС и разработать методику построения траектории развития технологий генераций, обеспечивающих максимальную экономическую эффективность при минимальном вреде для экологии. Результаты выполнения проекта сформируют научный задел, необходимый для перехода к экологически безопасным энергетическим комплексам с кислородным сжиганием топлива и интегрированными системами аккумулирования энергии и могут быть использованы отечественными энергомашиностроительными предприятиями при конструировании нового энергетического оборудования, инжиниринговыми компаниями, работающими в энергетическом секторе, ИТ-компаниями, занимающимися разработкой программного обеспечения в области вычислительной гидрогазодинамики, а также генерирующими компаниями на этапе выбора перспективной технологии производства электроэнергии.