Методы и модели исследования и оптимизации инновационных энергетических процессов и установок

Отчёт о научно-исследовательской работе (промежуточный) включает основные результаты, полученные в 2021 году в ходе выполнения проекта «Методы и модели исследования и оптимизации инновационных энергетических процессов и установок» Программы фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021-2030 годы).В отчёте представлены следующие результаты. Предлагается новый подход к оптимизации параметров теплоэнергетической установки с учётом статических и динамических режимов её работы. Подход основан на использовании сочетания ранее разработанного в ИСЭМ СО РАН метода ступенчатой оптимизации для задач нелинейного программирования с ограничениями в форме равенств и неравенств, и метода контрольных точек для решения систем дифференциальных уравнений в частных производных. Сформулирована новая математическая постановка задачи оптимизации параметров теплоэнергетических установок с учётом статических и динамических режимов её работы. Представлены предназначенные для рас-чёта динамических режимов математические модели элементов паротурбинного энергоблока. Приведены примеры оптимизации параметров теплофикационных энергетических установок различных типов (паротурбинных, газотурбинных и парогазовых) по критерию минимума цены отпущенной эксергии. Оптимизация проводилась разработанным в лаборатории исследования энергетических установок ИСЭМ СО РАН эффективным методом ступенчатой оптимизации. Исследовано влияние цены топлива на оптимальные параметры установки, в частности, на её КПД и удельные (на единицу отпущенной эксергии) выбросы СО2. Показано, что удельные выбросы угольной паро-турбинной установки более чем в три раза превосходят удельные выбросы ПГУ на природном газе. Показано влияние точности описания процессов в математической модели угольного газогенератора поточного типа на оптимальные параметры ПГУ с внутрицикловой газификацией угля. Обоснована необходимость достаточно точного учёта потерь углерода с уносом золы из газогенератора. Выполнены технико-экономические исследования комбинированного производства мета-нола и электроэнергии в системах с распределённой генерацией электроэнергии. Методами имитационного моделирования оценено влияние состава угольных смесей на износ поверхностей котла (абразивный и коррозионной) и его влияние на продолжительность межремонтного периода. Оценено влияние климатических характеристик района расположения теплофикационной ГТУ на её технико-экономические показатели. Представлена двухэтапная методика идентификации коэффициентов математических моделей элементов теплоэнергетических установок и оценивания параметров состояния, основанная на решении двух оптимизационных задач –минимизации максимальной невязки (между замеренными и рассчитанными значениями параметров и минимизация суммы модулей всех невязок указанного вида). Выполнена оптимизация структуры генерирующей мощности автономной фотоэлектрической системы с учётом её эффективности при работе в условиях энергосервисного контракта. В рамках выполнения проекта исследована эффективность энергетического использования древесной биомассы в разных климатических зонах Байкальского региона России. Для этого региона требование минимизации загрязнения окружающей среды и максимально возможного использования возобновляемых источников энергии особенно актуально. При этом сравнение проводится не только с энергоисточниками на органическом топливе, но и с ветровыми и солнечными электро-станциями, в том числе в гибридных энергосистемах, включающих возобновляемые источники энергии разных типов. Проведены вычислительные эксперименты по изучению теплового взрыва в системах с флуктуациями реакционной способности, свойственной процессам окисления органических топлив, в частности древесной биомассе. Исследована возможность оптимизации работы узла газификации биомассы в гибридной энергетической установке путем кислородного обогащения и перегрева дутья, проведены термодинамические исследования соответствующей технологической схемы, включающей как стадию обогащения воздуха, так и его дополнительного нагрева. Выполнены расчеты по моделированию теплопереноса в свинцово-кислотном аккумуляторе в режиме его функционирования в составе гибридной энергетической установки. Для моделирования газификации и горения биомассы в энергетических установках проведено экспериментальное исследование процесса термического разложения древесины с помощью сопоставления экспериментальных данных о физико-химических свойствах исходной древесины, целлюлозы, левоглюкозана, лигнина и образцов древесины различной степени термической конверсии. Установление связи между падением давления и массовой скоростью для испаряющегося пароводяного потока в слое твердых частиц является частью теплогидравлических расчетов в аппаратах с пористой вставкой. Рассмотрены часто используемые подходы к моделированию падения давления в зернистом слое – модель элемента гидравлической цепи, модель Локкарта-Мартинелли, обобщение модели Дарси-Форхгеймера; и предложена новая модель, представляющая обобщение уравнений газовой динамики на двухфазное течение. Представлены результаты верификации рассматриваемых моделей по двум группам экспериментальных данных, полученных на разных установках. В опытах использованы засыпки высотой 50 мм, 100 мм, 200 мм, 250 мм, 355 мм из стальных шариков диаметром 2 мм и 4 мм. Экспериментальные данные охватывают следующий диапазон режимных параметров: входное давление 0.6 – 15.3 МПа, расходное массовое паросодержание на входе 0.002 - 0.300, массовая скорость 150 – 1200 кг/м2с. Результаты вычисления перепада давления по известной массовой, а также обратного расчета скорости массовой скорости по известному перепаду давления, показали преимущества предложенной новой модели, имеющей аналитическое решение, в рассматриваемых условиях.