Формирование научно-методических основ создания цифровых способов конструирования перспективного оборудования с интегрированными системами аккумулирования энергии с использованием формализованных критериев выбора математических моделей для исследования физико-механических процессов

Отчет содержит результаты разработки методологических основ исследования и разработки перспективных энергетических установок для теплоэнергетики. В рамках выполненной работы за три этапа рассмотрены энергетические установки, работающие на природном газе и энергетическом угле, которые базируются как на использовании традиционных энергетических циклов (циклы Ренкина, Брайтона, парогазовый цикл), так и на новых кислородно-топливных циклах, в частности, тепловом цикле Аллама. Выполнено исследование энергетической эффективности различных способов сокращения выбросов парниковых газов и вредных веществ: перевод энергетических установок на кислородное сжигание, интеграция газификации угля в тепловую схему парогазовых ТЭС, применение энергетических установок на базе цикла Аллама, улавливание СО2 из уходящих газов на угольных паротурбинных ТЭС. Разработаны научно-технические решения в обеспечение повышения маневренности и энергетической эффективности. В области газовой генерации получены новые научные результаты для реализации двойного внешнего перегрева пара на паротурбинных ТЭС за счет сжигания природного газа с кислородом в паровом потоке. В работе представлены результаты исследования эффективности утилизации низкопотенциальной теплоты в кислородно-топливной энергетической установке, предложена уникальная технология термохимического аккумулирования энергии для парогазовых ТЭЦ. В результате анализа и обобщения полученных результатов сформированы рекомендации по использованию указанных научно-технических решений для достижения требуемых характеристик объектов генерации. В рамках этапа 3 работы исследования и разработки тепловых схем перспективных энергоустановок завершились получением совокупности новых научных результатов по рациональной организации систем аккумулирования энергии на ПГУ ТЭЦ для расширения регулировочного диапазона электрической мощности в режиме совместной выработки. Исследованы два способа аккумулирования энергии – аккумулирование сетевой воды (аккумуляторы атмосферного типа и под избыточным давлением), термохимическое аккумулирование энергии путем осуществления реакции парового риформинга на ТЭЦ; отмечены преимущества и недостатки указанных способов и рекомендации по их применению. Второй блок результатов охватывает новые решения по повышению эффективности и обеспечению работоспособности ответственных частей энергетического оборудования, входящего в состав перспективных энергетических установок. В рамках проекта разработаны и исследованы охлаждаемые лопатки осевых паровых и углекислотных турбомашин, предложены новые интенсификаторы теплообмена для каналов систем охлаждения лопаток. Для повышения эффективности турбомашин предложены новые решения для снижения концевых потерь в лопаточных решетках первых ступеней. Разработаны и исследованы способы организации процессов горения метана с кислородом в среде сверхкритического диоксида углерода и водорода с кислородом в паровом потоке для создания надежных и эффективных камер сгорания соответственно для энергоустановки на базе цикла Аллама и гибридных паротурбинных установок с внешним перегревом пара. Предложены модели систем охлаждения жаровых труб, использование которых, в соответствии с выполненными расчетными исследованиями и экспериментальной верификацией, обеспечивает нормальный уровень рабочих температур теплонапряженных частей камеры сгорания. Другим результатом исследования стали рекомендации по проектированию горелочных устройств новых камер сгорания, обеспечивающих высокий уровень полноты сжигания топлива при малых (1,03-1,05) значениях коэффициента расхода окислителя. В рамках этапа 3 работы, на основе ранее выполненных расчетных исследований физических процессов в ответственных частях энергетического оборудования с использованием методов численного моделирования, разработан метод опережающей верификации результатов численного моделирования процессов для ряда распространенных задач энергетического машиностроения. Новый метод предназначен для формирования требований к расчетной сетке (в частности, к размеру глобального элемента), удовлетворение которых обеспечивает сеточную сходимость и высокий уровень совпадения (до 10%) результатов расчета с использованием метода RANS (наименее требовательного к вычислительным ресурсам) с экспериментальными данным при решении широкого класса задач. Критерием выбора энергетических установок и применяемых в них технических решений являются результаты технико-экономических исследований. В рамках работы предложена методология формирования рациональных конструктивных решений и тепловых схем энергетических установок на основе приемов функционально-стоимостного анализа.