Реферат роботи, поданої на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки 2018 року Актуальність роботи



Дата конвертації09.09.2018
Розмір99.5 Kb.
ТипРеферат


ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕПЛОФІЗИЧНИХ ПРОЦЕСІВ В ЕНЕРГЕТИЧНОМУ ОБЛАДНАННІ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ

Реферат роботи, поданої на здобуття

Державної премії України в галузі науки і техніки 2018 року

Актуальність роботи

Функціонування основних енергетичних потужностей України базується на принципах непрямого перетворення енергії первинного її джерела. Генерація та перенесення теплоти є найважливішими, критичними ланками у ланцюгу процесів таких перетворень.

Теплофізичні процеси, що протікають в енергетичному обладнанні, супроводжуються зміною властивостей і режимів руху теплоносіїв, їх агрегатного стану, високими значеннями температур і тисків. Усе це визначає умови роботи елементів конструкцій теплообмінного обладнання, трубопроводів, насосів, інших елементів теплової схеми, їх спроможність надійно і безаварійно працювати впродовж визначеного періоду експлуатації. Визначальною є роль теплофізичних процесів і при виникненні аварійних ситуацій, коли для мінімізації їх наслідків необхідно забезпечити ефективне і надійне відведення залишкового тепловиділення від теплогенеруючих пристроїв, особливо ядерних реакторів.

Важливим також є те, що відносна частка теплогенеруючого та теплообмінного обладнання електростанцій за сумарною масою, трудомісткістю виготовлення і вартістю є превалюючою. Значення цих ключових характеристик напряму пов’язані з досконалістю організації теплофізичних процесів в енергетичному обладнанні, ступенем їх інтенсифікації, оптимізацією співвідношення інтенсивності переносу теплоти та імпульсу.

З огляду на це, робота, присвячена оптимізації теплофізичних процесів у енергетичному обладнанні з метою підвищення його ефективності, надійності та безпеки експлуатації, є актуальною.
Мета роботи

Метою роботи є підвищення ефективності, надійності функціонування і безпеки експлуатації устаткування електростанцій шляхом поглибленого аналізу, інтенсифікації і оптимізації теплофізичних процесів в енергетичному обладнанні, розробки і впровадження науково обґрунтованих технічних рішень з його удосконалення.


Основні науково-технічні результати роботи і їх новизна

Проведено експериментальне дослідження низькошвидкісних двофазних потоків і отримано наступні результати. Вперше розкрито особливості механізму течії двофазних потоків через ділянки труб з місцевими гідравлічними опорами, показано наявність 4-х характерних режимів течії, відповідальних за значну вібрацію труб у таких випадках. З урахуванням проведених експериментів представлена узагальнена крива кипіння, яка пояснює нестійкість парогенеруючих каналів.

Проведено серію експериментів по визначенню швидкості звуку в низькошвидкісних двофазних потоках. Показано, що швидкість звуку визначається дискретною структурою двофазного потоку (рідка пробка – паровий снаряд). Визначено залежність для розрахунку швидкості звуку в двофазних середовищах. Вперше визначено залежність для розрахунку швидкості звуку в підкипаючих потоках з бульбашками на стінці труби.

Експериментальне дослідження показало, що основними характеристиками, що визначають низькочастотну акустику і динаміку двофазного потоку, є пружно-інерційні властивості та стисливість двофазної суміші як дискретної структури осциляторів «рідина - газовий снаряд або бульбашка».

Представлено результати експериментальних досліджень формування кризи течії в двофазному потоці, що рухається у трубопроводі. Виявлено фізичний механізм самоорганізації течії двофазного потоку в кризу течії, яка полягає в тому, що при прискоренні потоку відбувається дроблення його дискретної структури (рідина – пар) і збільшення частоти коливань тиску, які поширюються через вихід трубопроводу. Ступінь затухання хвиль тиску, що розповсюджуються назустріч потоку, пропорційний квадрату характерної частоти коливального процесу або зворотно пропорційний квадрату розміру дискретних структур (рідини та пари). Подальше підвищення перепаду тиску на трубопроводі та, відповідно, збільшення швидкості потоку призводять до умов, коли збурення тиску, спричинені проходженням дискретної структури потоку через вихід трубопроводу, будуть затухати на відстанях, порівняних з розмірами його газорідинних структур, що визначатиме величину стрибка ущільнення. Сигнали про зміну тиску на виході трубопроводу не проходять на його вхід, внаслідок чого питома витрата потоку стає незалежною від протитиску. При цьому ознаки кризи течії проявляються в наступному:

– швидкість потоку на виході трубопроводу дорівнює локальній швидкості звуку;

– має місце стрибок тиску з коливанням його меж в протифазі.

Вперше представлено дослідження впливу електродинамічних сил на протікання процесів кипіння та на гідравлічний опір.

Порівняння спектрів акустичних сигналів, отриманих при обігріві випрямленим пульсуючим і постійним акумуляторним струмом, показало, що практично у всьому досліджуваному діапазоні частот амплітуда акустичного сигналу, отриманого при обігріві пульсуючим струмом, перевищує амплітуду сигналу від постійного струму на 2  4 дБ, що необхідно враховувати при дослідженні акустичних показників теплофізичних режимів реального обладнання.

Для встановлення співвідношення між шумами кипіння і кризою теплообміну виконано серію дослідів. При цьому фіксувались момент появи шуму кипіння і значення критичного теплового потоку по перепалу лінійного нагрівача. Дослідження показало, що значення критичної густини теплового потоку, отримані при перепалі лінійного нагрівача, суттєво перевищують значення критичної густини теплового потоку, розрахованого для кипіння у великому об’ємі. Проведене дослідження дає пояснення причин появи S-подібних кривих кипіння як результат електричного обігріву стендів змінним або випрямленим пульсуючим струмом. Вперше в практиці теплофізичного експерименту проведено дослідження кипіння на лінійному нагрівачі, що живиться акумуляторним струмом. Дослідженням також встановлено, що визначення температури лінійного нагрівача в залежності від його відносного теплового подовження є більш надійним і точним, ніж в залежності від його електроопору.

Проблема дослідження впливу вібрації поверхні трубопроводу і коливань тиску в трубопроводі на гідравлічний опір каналу завжди розглядалась як одна з важливих задач гідродинаміки. У роботі виконано серію експериментів з дослідження гідравлічного опору трубчастих каналів, що обігріваються змінним струмом. Дослідженнями встановлено, що зниження гідравлічного опору склало 22%, що важливо враховувати при проектуванні струмопроводів генераторів і прямоточних електронагрівачів.

Виконаний комплекс досліджень показує істотний вплив типу обігріву на фізичні процеси кипіння, акустики і гідравліки та важливість спільного використання результатів як натурних, так і лабораторних досліджень.

В результаті серії досліджень, проведених при параметрах, близьких до реальних (тиск насичення 16 МПа), встановлено, що основною причиною акустичних явищ при наявності течі теплоносія з високими параметрами є швидкість його струменя, а не особливості потоку, що закипає. Встановлена можливість проведення діагностики протікання теплоносія в умовах промислових шумів в діапазоні ультразвукових коливань (біля 40 кГц). Представлено рекомендації щодо системи моніторингу протікання верхнього блоку реактора ВВЕР-1000.

Проведено дослідження зниження вібрації трубопроводів з двофазними потоками шляхом переводу снарядного режиму в кільцевий шнековим завихрювачем. Для вирішення цього завдання розроблено метод розрахунку осьового шнекового завихрювача з безударним входом та змінним кутом (закручування). Дослідження пульсацій тиску в двофазному потоці після завихрювача показали, що вони в середньому в 2,5  3,0 рази нижчі, ніж без нього, при цьому сплески тиску, пов'язані з ударом рідкої пробки, знижуються в 8  10 разів. Установка завихрювача на конденсатопроводі КС-1 турбіни К500-65/3000 призвела до зниження розмаху вібрацій в 5  7 разів.

У роботі вперше експериментально розглянуті причини і наслідки зриву подачі поршневої групи плунжерних насосів. Розроблено схему датчика зриву подачі, який був використаний для діагностики зриву подачі кожного ступеня насоса.

Також представлено оригінальне технічне рішення з використання енергії пари для організації підживлення парогенераторів АЕС в умовах її повного електрознеструмлення. Для забезпечення надійної роботи приводу підживлювального насосу може бути застосована комбінована конструкція турбоприводу, що складається з насаджених на один вал лопаткової турбіни Лаваля і передвключеної дискової турбіни (турбіни Тесли). Дослідження показали, що процес розширення пари в такій двоступеневій конструкції турбоприводу проходить при вологості пари меншій, ніж 12  14%, що є цілком задовільним за умов ерозійних руйнувань.

На підставі проведеного аналізу положень оптимізації стратегій управління надійністю енергообладнання встановлено визначальний критерій оптимізації ефективних стратегій управління надійністю.

Розглянуто основні положення моделювання умов виникнення критичних гідроударів внаслідок інерційної напірно-витратної характеристики насосів та проведено верифікацію такого методу з застосовуванням отриманих авторами результатів експериментальних досліджень. Беручи до уваги невизначеність окремих вихідних даних, можна вважати, що результати розрахункового моделювання задовільно узгоджуються з експериментальними даними щодо коливань тиску в робочих режимах поршневих насосів. Запропоновано оригінальний підхід до визначення умов гідродинамічних ударів при закритті арматури як наслідку аперіодичної нестійкості.

На відміну від відомих підходів запропонований метод враховує умови формування гідродинамічного удару в залежності від коефіцієнту гідродинамічного опору і швидкості закриття арматури, конструкційно-технічних характеристик всіх елементів трубопровідної системи, теплофізичних властивостей потоку та інших визначальних чинників.

За результатами числового інтегрування отримано область значень критеріїв виникнення гідродинамічних ударів як наслідок аперіодичної нестійкості при трансзвукових течіях двофазних парорідинних потоків.

Виявлено та проаналізовано теплофізичні переваги теплоообмінників випаровувально-конденсаційного типу (ВКТ), які обумовлюють їх високу теплову та енергоекономічну ефективність, зменшення капітальних та експлуатаційних витрат. Такими перевагами є можливість організації протитоку теплообмінних робочих середовищ, можливість перерозподілу довжин зон випаровування та конденсації теплопередавальних елементів ВКТ, можливість ефективного розвинення поверхні зі сторін обох теплообмінних середовищ.

Виявлено, досліджено і проаналізовано теплофізичні фактори, що обмежують теплопередавальну здатність пасивних систем теплопередачі ВКТ. Отримано закономірності і залежності для визначення величин максимальних теплових потоків, які відповідають кожному з обмежувальних факторів і є функціями конструктивних параметрів, режимних характеристик процесів, теплофізичних властивостей теплообмінних середовищ і проміжного теплоносія.

Отримала розвиток теорія конвективного теплообміну в оребрених поверхнях нагрівання, що відкриває реальні шляхи підвищення ефективності і надійності теплообмінного обладнання. Зокрема, виявлено існування у кореня ребер інтенсивних вторинних відривних течій, що значною мірою визначають характер розподілу інтенсивності тепловіддачі по поверхні ребристих труб. Виявлено два типи вторинних течій, які виникають перед лобовою частиною циліндра, що несе оребрення. Виявлено і досліджено аеродинамічну і теплову взаємодію труб, зібраних у пакет. Показано, що геометрія розміщення і ступінь оребрення значною мірою визначають рівень збуреності і рівень локальних швидкостей течії на поверхні ребристих труб, з якими пов'язана інтенсивність локального і середньоповерхневого теплообміну. Створено фізичну модель процесів течії і теплообміну на поверхні ребристих труб.

На основі виявлених закономірностей запропоновано нові методи інтенсифікації теплообміну в пакетах оребрених труб і нові типи розвинутих поверхонь - плоскоовальні труби з неповним поперечним оребренням, труби з конфузорно підігнутими ребрами, труби з накатним пелюстковим оребренням та гвинтоподібні труби з рівнорозвиненими зовнішньою і внутрішньою поверхнями.Запропоновані і досліджені нові типи поперечно-оребрених поверхонь дозволяють підвищити компактність і знизити металоємність теплообміного устаткування на 30  50 %, що супроводжується підвищенням надійності і поліпшенням їх експлуатаційних характеристик.

В результаті проведеного порівняння теплопередавальної здатності теплообмінників ВКТ і рекуперативних трубчатих теплообмінників отримано та проаналізовано співвідношення теплопередавальних характеристик вказаних типів теплообмінних систем. Аналіз показав перевагу за теплопередавальною здатністю (в 1,5  3 рази) теплообмінників ВКТ над рекуперативними трубчатими теплообмінниками. Ступінь цієї переваги залежить від конструктивних характеристик і параметрів пакетів труб, схем течій середовищ, співвідношень характеристик інтенсивності теплообміну, термодинамічних характеристик процесів теплопередачі, теплофізичних властивостей середовищ і проміжного теплоносія.

Вирішено задачу оптимізації параметрів капілярної структури теплопередавального елемента ВКТ з метою мінімізації його термічного опору. Розглянуто основні загальні характеристики трубного пакету теплообмінної системи ВКТ з точки зору можливості їх оптимізації для забезпечення мінімуму термічного опору теплопередачі. Отримано функціональні залежності для визначення оптимального співвідношення довжин зон, при якому теплообмінна система має мінімальний термічний опір. Проаналізовано особливості проведення теплових розрахунків пасивних систем теплового захисту на основі теплопередавальних елементів ВКТ в умовах складного теплообміну в зоні теплопідведення і вільної повітряної конвекції в зоні тепловідведення. Проведено оптимізацію характерного конструктивного параметра розвиненої поверхні тепловідведення з точки зору мінімуму зовнішнього термічного опору тепловіддачі до оточуючого повітря.

Результати проведених експериментальних досліджень теплофізичних ха­рактеристик розроблених зразків теплопередавальних елементів ВКТ свідчать про відповідність їх теплопередавальної здатності рівню теплових навантажень для систем тепловідведення і теплового захисту, які можуть бути створені на основі подібних елементів.

Експериментально досліджено теплогідравлічні характеристики 3- та 7-стрижневих моделей тепловидільних збірок (ТВЗ) активної зони реакторів 4-го покоління, яка має охолоджуватись водою надкритичних параметрів (SCWR).

Розроблено методику розрахунку теплогідравлічних характеристик потоку води надкритичних параметрів (НКП) в трубах, кільцевих та технологічних каналах, які імітують твели за формою та гідравлічним діаметром. Досліджені режимні параметри відповідають або номінальним для одного з вірогідних проектів (наприклад, ВВЕР-НКП) або проміжним (аварійним) параметрам.

Доведено можливість і визначено умови погіршення тепловіддачі, здатного зруйнувати ТВЗ або порушити їх герметичність і цим вивести з ладу енергоблок.

Запропоновано фізично обґрунтовану залежність між геометричними та режимними параметрами і максимально припустимим тепловим навантаженням (ПТН) ТВЗ. Отримані експериментальні дані узагальнено системою ітераційних емпіричних рівнянь для розрахунку температурного режиму збірок.

Створено унікальну базу ПТН в широкому діапазоні режимних параметрів для систем з 1, 3 і 7 твелами, яка дозволяє екстраполювати значення ПТН на ТВЗ з більшою кількістю твелів, а також вдосконалювати CFD моделі турбулентності, розвиток яких стримується гострою нестачею експериментальних даних. В ре-зультаті були визначені і протестовані теплогідравлічні характеристики потоку надкритичного тиску в 3- і 7-стрижневій ТВЗ на підставі числового моделювання з використанням RNG k-ε моделі турбулентності.

Вкрай незадовільна в багатьох випадках точність існуючих численних методик інженерного розрахунку теплових режимів каналів ТВЗ, що охолоджуються водою НКП, значною мірою обумовлена відсутністю в них прямого зв’язку між гідравлічним опором каналу та інтенсивністю теплопередачі в ньому. Тому запропонована нова методика розрахунку теплових режимів, в якій використовується система двох ітераційних залежностей для коефіцієнтів гідравлічного опору тертя та тепловіддачі, виявилась найточнішою для прогнозування режимів, за якими зараз тестуються відомі емпіричні залежності.

Для перспективних проектів реакторів з підйомним і опускним рухом теплоносія на сьогодні практично немає даних про рівень припустимих теплових навантажень ТВЗ. Тому серйозна увага була приділена експериментальному виявленню співвідношень режимних параметрів теплоносія, при яких виникає погіршення тепловіддачі або термоакустичне коливання тиску при обох напрямках руху води НКП. В результаті вперше доведено існування режимів ПТН не тільки при підйомному, а і при опускному русі води НКП в каналах ТВЗ, але зі значно меншим зростанням температури стінки і при більших теплових потоках. Це дає підставу вважати, що небезпечну зону температур води слід розміщувати в опускній частині циркуляційного контуру активної зони.



Практична значимість, обсяг впровадження і досягнутий ефект

Робота спрямована на вирішення важливої науково-технічної проблеми з розробки і впровадження методів та засобів підвищення надійності та ефективності експлуатації електростанцій України шляхом оптимізації теплофізичних процесів в енергообладнанні.

У напрямку забезпечення проектування та експлуатаційної надійності теплообмінного обладнання АЕС:

– отримано експериментальні дані з причин появи термоакустичних коливань та області їх існування, які дозволяють визначати області безпечної експлуатації реакторної установки;

– розроблено основні положення щодо створення акустичної системи моніторингу протікань фланцевих з'єднань верхнього блока реактора ВВЕР-1000;

– розроблено і захищено патентом систему контролю герметичності оболонок твелів, яка дозволяє підвищити ступінь надійності виявлення тріщин за рахунок застосування дрібнодисперсного двофазного потоку.

Результати досліджень використовуються на підприємствах НАЕК «Енергоатом» та в документах Державної адміністрації ядерного регулювання України.

У напрямку підвищення надійності турбоустановок розроблено рекомендації щодо усунення вібрації та ерозії в конденсатопроводах турбоустановок. Результати досліджень використовуються проектною організацією ВАТ «Турбоатом», КП «Одеські теплові мережі».

За результатами виконаних досліджень і розробок створені та впроваджені на енергетичних та енергомашинобудівних підприємствах (ПАТ «Київенерго», ПАТ «ТЕКОМ», МПВФ «Енергетик», Подільський машинобудівний завод та ін.) повітропідігрівачі, економайзери, котли-утилізатори газотурбінних і парогазових установок та інші високоефективні теплообмінні апарати, які забезпечують підвищення коефіцієнта корисної дії паливо- та енерговикористовуючого устаткування.

Розроблено інженерні методики розрахунку теплообміну й аеродинамічного опору трубчастих поперечно-оребрених конвективних поверхонь, що стали основою Керівного технічного матеріалу РТМ 108.030.140-87 «Розрахунок і рекомендації по проектуванню поперечно-оребрених конвективних поверхонь нагрівання стаціонарних котлів» і розділів останньої редакції “Нормативного методу теплового розрахунку котлів”, які є обов'язковими для використання у проектних і конструкторських організаціях енергетичного профілю.

Реалізація результатів теплофізичних досліджень в системах аварійного відведення теплоти, охолодження відпрацьованого ядерного палива, теплового захисту металоконструкцій машзалів забезпечує підвищення надійності і безпеки функціонування основного устаткування, а також є менш вартісною внаслідок конструктивного спрощення і можливості відмови від притаманного активним системам дублювання обладнання.

Дослідження теплогідравлічних характеристик моделей тепловидільних збірок виконується в рамках Скоординованого проекту SCWR МАГАТЕ в тісній співпраці з провідними науковими центрами 11 країн. Зокрема, були отримані гранти цієї Агенції для участі у Скоординованій Дослідницькій Програмі «Осмислення і прогнозування теплогідравлічних явищ, що мають місце в реакторах, які охолоджуються водою надкритичного тиску» та в Міжнародній Експертній Програмі «Посилення ефективності науково-дослідних робіт в світлі аварії на АЕС Фукусіма-1».

Запропоновано унікальний (по відношенню до відомих закордонних та вітчизняних аналогів) метод визначення умов виникнення та інтенсивності гідродинамічного удару при закритті арматури як наслідок аперіодичної нестійкості. На основі запропонованого методу визначено оптимальні умови швидкості закриття арматури для запобігання гідродинамічного удару.

Запропонована методика розрахунку осьових шнекових завихрювачів, що не має світових аналогів, дозволяє використовувати їх для широкого кола завдань: зниження динамічних навантажень з боку двофазного потоку на трубопровід; сепарація пароводяних потоків і охолоджувальної води від механічних домішок; сепарація нафтогазового конденсату; інтенсифікація теплообміну і підвищення критичного теплового навантаження в парогенеруючих каналах.

Розроблено і захищено патентом систему контролю герметичності оболонок твелів, в якій підвищено ступінь надійності виявлення тріщин за рахунок застосування дрібнодисперсного двофазного потоку.

Результати проведених досліджень теплофізичних процесів в енергообладнанні дозволили розробити ряд пристроїв, методик та рекомендацій, що не мають світових аналогів та використовуються підприємствами енергетики України.



Деякі економічні показники від впровадження представлених у роботі досліджень надано у додаткових матеріалах до опису роботи.

Кількість публікацій: всього 707, з яких 17 монографій (5 – у закордонних видавництвах), 7 підручників і навчальних посібників, 682 статті (104 – в закордонних виданнях), 1 патент. Згідно з базою даних SCOPUS, загальна кількість посилань на публікації авторів складає 143, h-індекс дорівнює 5. Згідно з базою даних Google Scholar, загальна кількість посилань на публікації авторів складає 701, h-індекс дорівнює 12. За тематикою роботи захищено 9 докторських і 30 кандидатських дисертацій.



Автори:

_______________ О.В. Корольов

_______________ О.Н. Гершуні

_______________ Г.О. Оборський

_______________ О.П. Ніщик

_______________ Є.М. Письменний

_______________ В.Г. Розумовський

_______________ І.Л. Козлов







Каталог: sites -> default -> files
files -> Положення про порядок підготовки фахівців ступенів доктора філософії та доктора наук в аспірантурі (ад’юнктурі) та докторантурі вищих навчальних закладів
files -> Відділ аспірантури та докторантури Уманського державного педагогічного університету імені Павла Тичини
files -> Київський національний університет імені Тараса Шевченка
files -> Програма вступного іспиту до аспірантури зі спеціальності 22. 00. 03 соціальні структури та соціальні відносини Затверджено
files -> Культура Античності. Культура Давньої Греції
files -> Системотехнічні засади та інструментально-програмні засоби створення та підтримки цифрових словників сидорчук надія Миколаївна
files -> Міністерство освіти І науки україни державний економіко-технологічний університет транспорту
files -> Конспект лекцій для студентів усіх спеціальностей освітньо-кваліфікаційних рівнів «спеціаліст»,
files -> Конструкції для енергоефективного відновлення забудови, постраждалої від надзвичайних ситуацій


Поділіться з Вашими друзьями:




База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2020
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка