WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Кожемякин Вячеслав Вячеславович

РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ, ПРИНЦИПОВ И МЕТОДОВ РЕАЛИЗАЦИИ СТРУЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СТАЦИОНАРНЫМ И ПЛАВУЧИМ СИСТЕМАМ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ЯДЕРНЫМИ МОНОБЛОЧНЫМИ ПАРОПРОИЗВОДЯЩИМИ АГРЕГАТАМИ

Специальность 05.08.05 – Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург – 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» (СПбГМТУ) на кафедре Энергетики.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

Половинкин Валерий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Дядик Александр Николаевич,

СПбГМТУ, кафедра Теплофизических основ судовой энергетики, профессор

доктор технических наук, профессор

Барановский Владимир Владимирович

Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота «Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н. Г. Кузнецова» кафедра Энергетических установок (неядерных), профессор

доктор технических наук

Ковалевский Валерий Пименович,

ООО «Сименс технологии газовых турбин», ведущий инженер

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита  диссертации  состоится  08 октября 2012 года в 15-00 час. в ауд. А-313 на заседании диссертационного совета Д 212.228.03 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» (СПбГМТУ) по адресу: 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ.

Автореферат разослан «  »  2012  г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.228.03

доктор технических наук, профессор                         А.П. Сеньков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Системы, транспортирующие тепловую энергию, используются очень широко и, в зависимости от ситуации, имеют различные названия: система обогрева (подогрева, теплоснабжения), система охлаждения (расхолаживания), первый контур и так далее. После освоения электрической и ядерной энергии стало ясно, что наиболее эффективные пути преобразования этих видов энергии, чаще всего, связаны с тепловой энергией. Энергетические потребности человечества непрерывно растут, растут и потоки транспортируемой тепловой энергии. А вместе с ними нарастают проблемы.

В большинстве таких систем циркуляция теплоносителя осуществляется электронасосами. При этом на привод электронасосов, с учетом их недостаточного энергетического совершенства, определяемого низкими значениями КПД, особенно на долевых режимах, затрачивается достаточно ощутимая доля полезной электрической энергии.

Для ядерной энергетики и стационарного теплоснабжения использование электронасосов при транспорте тепловой энергии - это еще и принципиальная невозможность решить свои проблемы.

Специалисты сформулировали единую научно-обоснованную концепцию конструктивной безопасности ядерных реакторов, суть которой заключается в размещении всего оборудования первого контура в одном прочном корпусе. Краеугольным камнем этой концепции являются ядерные моноблочные паропроизводящие агрегаты (ППА). Однако использование циркуляционных насосов первого контура (ЦНПК) с электроприводом, которые не могут быть размещены внутри прочного корпуса ППА, принципиально не позволяет решить эту проблему.

Теплоснабжение в России является одним из важнейших направлений энергетики. Но принятые еще в Советском Союзе технические решения породили серьезные проблемы в этой отрасли. В настоящее время к этим «врожденным» проблемам добавилась еще одна – износ оборудования. Причем у страны нет ресурсов для переоснащения этой отрасли в разумные сроки.

Поэтому поиск эффективных технологий для транспортирования тепловой энергии, которые позволили бы реализовать концепцию конструктивной безопасности ядерных реакторов и кардинально улучшить ситуацию в отрасли теплоснабжения страны, является одной из наиболее актуальных проблем.

Выполненный анализ свидетельствует о том, что основой эффективных технологий могут служить так называемые струйные технологии - технологии, использующие передачу путем непосредственного контакта кинетической энергии одного потока другому потоку.

Цель работы. Разработка теории, принципов и методов реализации струйной технологии применительно к плавучим и стационарным системам теплоэлектроснабжения.

Основными задачами исследования явились:

- разработка универсальных математических моделей струйных аппаратов, методов расчета и программ для расчета характеристик, в том числе эксплуатационных, четырех типов струйных аппаратов: ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в первом контуре, ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в сетевом контуре системы теплоснабжения, водо-водяного инжектора для двухступенчатого первого контура с пароводяными струйными аппаратами (ПВСА), водо-водяного инжектора для системы теплоснабжения (элеватора);

- разработка математических моделей и программ стационарных и нестационарных процессов в различных системах с ПВСА, в том числе в схемах с водо-водяными инжекторами (элеваторами); оценка достоверности  и адекватности  разработанных математических моделей;

- конструктивная проработка методами твердотельного проектирования судового ядерного моноблочного ППА типа «Бета»;

- расчетно-теоретические исследования статических и динамических характеристик ядерных моноблочных ППА типа «Бета»;

- расчетно-теоретические исследования условий и закономерностей самостоятельного запуска и остановки ПВСА в ядерных моноблочных ППА типа «Бета» и обоснование схем параллельной работы ПВСА;

- разработка методики и  оценка эффективности и работоспособности стенда системы теплоснабжения котельной СПбГМТУ;

- получение на базе экспериментальных данных котельной СПбГМТУ регрессионных зависимостей для интегральных коэффициентов передачи мощности;

- расчетно-теоретические исследования статических и динамических характеристик на примере стенда системы теплоснабжения с ПВСА котельной СПбГМТУ;

- оптимизация параметров ПВСА и систем с ПВСА, создание методологии формирования систем с ПВСА;

- изготовление опытных образцов ПВСА и проведение их экспериментальных исследований с целью оценки предельных напоров при термодинамических параметрах теплоносителя, характерных для систем, транспортирующих тепловую энергию;

- проведение полномасштабных гидравлических и теплотехнических испытаний ППА типа «Бета» на экспериментальном стенде «Бета-К» и  системы теплоснабжения с ПВСА на стенде котельной СПбГМТУ.

Объект исследования. Системы, транспортирующие тепловую энергию, и их элементы.

Предмет исследования. Теория струйных технологий в системах, транспортирующих тепловую энергию.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались методы исследования сложных систем: методы анализа, системный подход, методы математического моделирования, а также законы термодинамики, теплотехники, гидродинамики и другие.

Математические модели корректировались на основе экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием современной автоматизированной системы сбора, обработки и отображения информации. Расчетно-аналитические исследования сопровождались опытно-конструкторской проработкой наиболее ответственных элементов систем.

Научная новизна. Новизна научных результатов, полученных соискателем, состоит в том, что:

- разработаны универсальные математические модели, методы расчета и программы для расчета характеристик, в том числе эксплуатационных,  четырех наиболее предпочтительных типов струйных аппаратов: ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в первом контуре, ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в сетевом контуре системы теплоснабжения, водо-водяного инжектора для двухступенчатого первого контура с пароводяными струйными аппаратами (ПВСА), водо-водяного инжектора для системы теплоснабжения (элеватора);

- разработаны математические модели и программы стационарных и нестационарных процессов в различных системах с ПВСА, в том числе в схемах с водо-водяными инжекторами (элеваторами); дана оценка достоверности  и адекватности  разработанных математических моделей;

- методами твердотельного проектирования выполнена конструктивная проработка судового ядерного моноблочного ППА типа «Бета»; особое внимание было уделено разработке трактов циркуляции теплоносителей первого и второго контуров;

- выполнены расчетно-теоретические исследования статических и динамических характеристик ядерных моноблочных ППА типа «Бета»;

- исследованы условия и закономерности самостоятельного запуска и остановки ПВСА в ядерных моноблочных ППА типа «Бета» и обоснованы схемы параллельной работы ПВСА; исследованы переходные режимы запуска и срыва ПВСА в ППА «Бета»;

- разработана методика и выполнена оценка эффективности и работоспособности стенда системы теплоснабжения котельной СПбГМТУ с учетом наиболее показательного отопительного сезона 2002-2003 годов;

- на базе экспериментальных данных котельной СПбГМТУ созданы регрессионные зависимости для интегральных коэффициентов передачи мощности;

- выполнены расчетно-теоретического исследования статических и динамических характеристик на примере стенда системы теплоснабжения с ПВСА котельной СПбГМТУ;

- выполнена оптимизация параметров ПВСА и систем с ПВСА, создана методологии формирования систем с ПВСА.

- изготовлены опытные образцы ПВСА и проведено их экспериментальное исследование с целью оценки предельных напоров при термодинамических параметрах теплоносителя, характерных для систем, транспортирующих тепловую энергию;

- проведены полномасштабные гидравлические и теплотехнические испытания ППА типа «Бета» на экспериментальном стенде «Бета-К» и  системы теплоснабжения с ПВСА на стенде котельной СПбГМТУ.

Практическая ценность. Созданы оптимальные конструкции струйных аппаратов; предложены и научно обоснованы наиболее предпочтительные плавучие и стационарные системы теплоснабжения; разработаны и апробированы математические модели, методики, алгоритмы и программы расчета струйных аппаратов и систем, транспортирующих тепловую энергию, с этими аппаратами.

Изготовлены опытные образцы ПВСА и проведено их экспериментальное исследование с целью оценки предельных напоров при термодинамических параметрах теплоносителя, характерных для систем, транспортирующих тепловую энергию.

Проведены полномасштабные гидравлические и теплотехнические испытания ППА типа «Бета» на экспериментальном стенде «Бета-К» и  системы теплоснабжения с ПВСА на стенде котельной СПбГМТУ.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований использованы при выполнении двух заключенных с Министерством образования и науки Российской Федерации
государственных контрактов на выполнение поисковых научно-исследовательских работ в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы:

- «Разработка научно-технологической базы для создания ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата для плавучих АЭС с высоким уровнем безопасности и энергосбережения за счет использования струйных технологий», ГК № П965 от 20.09.2009,

- «Разработка научно-технологической базы для создания энергосберегающей безбойлерной системы теплоснабжения со струйными средствами циркуляции не требующими затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя», ГК № 14.740.11.0106 от 08.09.2010.

Результаты исследований использованы при выполнении двух контрактов на выполнение научно-исследовательских работ, проводимых в рамках предоставления грантов Санкт-Петербурга в сфере научной и научно-технической деятельности:

- «Разработка и оптимизация характеристик энергосберегающих систем теплоснабжения со струйными средствами циркуляции, не требующих затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя теплоносителя», контракт 47/05 от 23.05.2005.

- «Разработка и оптимизация характеристик энергосберегающих безбойлерных систем теплоснабжения со струйными средствами циркуляции, не требующих затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя», контракт 34/06 от 16.05.2006.

Методы расчета использованы при создании энергосберегающей системы теплоснабжения с пароводяными струйными средствами циркуляции на Приморской учебно-научной базе СПбГМТУ.

Полученные научные и практические результаты используются в учебном процессе при подготовке специалистов в СПбГМТУ по специальностям 180103 «Судовые энергетические установки» и 180104 «Судовое оборудование» в рамках дисциплины «Проектирование судового главного оборудования».

На защиту выносятся:

- универсальные математические модели и методы расчета характеристик, в том числе эксплуатационных,  четырех наиболее предпочтительных типов струйных аппаратов: ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в первом контуре, ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в сетевом контуре системы теплоснабжения, водо-водяного инжектора для двухступенчатого первого контура с пароводяными струйными аппаратами (ПВСА), водо-водяного инжектора для системы теплоснабжения (элеватора);

- математические модели и программное обеспечение для расчетно-теоретических исследований стационарных и нестационарных процессов в различных системах с ПВСА, в том числе в схемах с водо-водяными инжекторами (элеваторами);

- схемы параллельной работы ПВСА;

- методика оценки эффективности и работоспособности стенда системы теплоснабжения котельной СПбГМТУ с учетом наиболее показательного отопительного сезона 2002-2003 годов;

- регрессионные зависимости для интегральных коэффициентов передачи мощности, определенные на базе экспериментальных данных котельной СПбГМТУ;

- методология формирования систем с ПВСА.

- результаты полномасштабных гидравлических и теплотехнических испытаний ППА типа «Бета» на экспериментальном стенде «Бета-К» и  системы теплоснабжения с ПВСА на стенде котельной СПбГМТУ.

Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на:

- на региональных научно-технических конференциях с международным участием «Кораблестроительное образование и наука» в 2003 и 2005 годах,

- научно-техническом совете СПбГМТУ в 2003-2011 годах,

- на научно-технических совещаниях научно-образовательного центра «Перспективные энергоустановки морской техники» СПбГМТУ в 2005-2011 годах,

- на научных семинарах и заседаниях кафедры Энергетики СПбГМТУ в 1980-2011 годах,

- на Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции СПбГМТУ в 2012 году,

- на международных конференциях в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова по проблемам транспортной энергетики в 1999, 2003, 2007 и 2010 годах,

- на заседаниях секции энергетики в Доме учёных имени М. Горького в 2009, 2010 и 2011 годах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, из них 4 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК для докторских диссертаций, в соавторстве с долей автора от 20 % до 80 %.

Всего опубликовано 7 статей в научных журналах, 7 патентов на изобретения и полезные модели, 3 программы для ЭВМ и 18 научно-технических отчетов. Семь работ выполнено в личном авторстве, доля автора в остальных работах составляет от 15 % до 80 %.

Личный вклад. В диссертации излагаются результаты, вклад в которые автора был определяющим на всех этапах, включая постановку задачи, проведение теоретических исследований и непосредственное участие в экспериментах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованной литературы из 117 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 219 страницах текста, включающего 240 рисунков и 38 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Отмечено, что системы, транспортирующие тепловую энергию, используются очень широко и, в зависимости от ситуации, имеют различные названия: система обогрева (подогрева, теплоснабжения), система охлаждения (расхолаживания), первый контур и так далее. После освоения электрической и ядерной энергии стало ясно, что наиболее эффективные пути преобразования этих видов энергии, чаще всего, связаны с тепловой энергией. Энергетические потребности человечества непрерывно растут, растут и потоки транспортируемой тепловой энергии. А вместе с ними нарастают проблемы.

В большинстве таких систем циркуляция теплоносителя осуществляется электронасосами. При этом на привод электронасосов затрачивается достаточно ощутимая доля полезной электрической энергии.

Вместе с тем, человечество уже давно использует различные струйные аппараты, в том числе пароводяные.

Выполненные исследования позволили установить, что одно из наиболее перспективных направлений повышения эффективности плавучих и стационарных теплопередающих систем связано с внедрением струйных технологий. В диссертации был разработан, запатентован и внедрен универсальный вариант ПВСА, который обеспечивает, за счет конденсации пара в его проточной части, подогрев воды и преобразование части энергии пара в механическую энергию потока воды. Благодаря особой геометрии проточной части, такой ПВСА в отличие от аналогов создает значительный напор и способен обеспечить циркуляцию воды в замкнутом контуре.

Созданные в рамках выполненного диссертационного исследования универсальные струйные технологии позволяют кардинально улучшить массогабаритные и экономические характеристики некоторых систем, транспортирующих тепловую энергию. Устраняется необходимость расходовать электроэнергию на циркуляцию теплоносителя, а, следовательно, исчезают все потери, выбросы и затраты, связанные с получением этой электроэнергии. Повышается надежность, а габариты, масса и капитальные затраты снижаются.

Было установлено, что использование ПВСА в первом контуре совместно с переходом от блочной компоновки ППА к моноблочной дает дополнительный эффект - паровой компенсатор объема располагается внутри корпуса моноблока, а необходимый баланс пара обеспечивается кипящей активной зоной (АЗ) и ПВСА. ПВСА, в отличие от ЦНПК, могут располагаться внутри моноблока. Исключается выход теплоносителя первого конура за пределы корпуса моноблока, исключаются патрубки на корпусе моноблока. Как следствие, повышение надежности и снижение массы, габаритов и стоимости. Кроме того, ПВСА обеспечивают саморегулирование циркуляции в первом контуре.

Однако наибольший эффект использование ПВСА дает в стационарном теплоснабжении. Струйные технологии позволяют без особых затрат кардинально улучшить ситуацию в энергохозяйстве России. Большинство эксплуатируемых в настоящее время систем теплоснабжения требуют дорогостоящего капитального ремонта, который, как правило, включает замену громоздких и дорогостоящих бойлеров. Проведение капитального ремонта котельной с одновременной реконструкцией существенно снизит стоимость ремонта, так как отпадает необходимость замены бойлеров. Остальное действующее оборудование будет сохранено, что позволит снизить затраты на реконструкцию.

Но реализация идеи использования ПВСА в системах, транспортирующих тепловую энергию, потребовала решение ряда научных и технических проблем.

Эти проблемы были решены для двух типов судовых и стационарных систем, транспортирующих тепловую энергию:

- систем первого контура двухконтурной ЯЭУ с кипящей АЗ,

- систем теплоснабжения.

В первой главе выполнен анализ состояния проблемы модернизации систем, транспортирующих тепловую энергию, и выбор путей ее решения.

В настоящее время в области транспорта тепловой энергии можно выделить три важнейших проблемы: низкая эффективность, низкая надежность и недостаточная безопасность.

Приближающееся истощение запасов углеводородного топлива и постоянно растущий спрос на энергию в энергетически отсталых и быстро развивающихся регионах объективно делают ядерную энергетику, в первую очередь применительно к глобальной энергетике, практически безальтернативной. Тем не менее, в последние годы наблюдается постоянное и ощутимое снижение доли АЭС в мировом производстве первичной энергии. В абсолютном значении в мире наблюдается неустойчивый рост производства электроэнергии на АЭС.

Это связано с негативным отношением общественности к ядерной энергетике, которое сформировалось в результате аварий на АЭС. Вместе с тем, выполненный анализ основных направлений развития ядерных реакторов свидетельствует о том, что фирмы, занимающиеся разработкой и созданием ядерных реакторов, для ближайшей перспективы идут, в основном, по пути модернизации реально эксплуатирующихся реакторов. При этом, специалисты сформулировали единую научно-обоснованную концепцию конструктивной безопасности ядерных реакторов, суть которой заключается в размещении всего оборудования первого контура в одном прочном корпусе. Краеугольным камнем этой концепции являются ядерные моноблочные ППА.

Первой транспортной ядерной моноблочной ППА считается ППА рудовоза «Отто Ган» («Otto Hahn»). В историю ядерный паропроизводящий агрегат рудовоза «Отто Ган» вошел, как первый (и, кстати, пока единственный) моноблочный ППА.

С тех пор обсуждение преимуществ ядерных моноблочных ППА не прекращается. Особенно оно усилилось в последнее время в связи с ужесточением требований к безопасности ядерных реакторов. Появилось большое количество концептуальных проектов, однако, обобщая изложенные материалы, можно отметить, что наиболее проработанными проектами являются IRIS (International Reactor Innovative and Secure) и SMART (System-integrated Modular Advanced Reactor).

В целом было установлено, что моноблочные ППА обладают лучшими по сравнению с блочными массогабаритными характеристиками, высокой надежностью, более простой установкой. Однако наличие ЦНПК с электроприводом не позволяет создать действительно моноблочный ППА и реализовать концепцию конструктивной безопасности. Идея традиционного первого контура с ЦНПК полностью себя исчерпала.

В 1967 году в Ленинградском кораблестроительном институте в интересах военно-морского флота начал разрабатываться ядерный моноблочный ППА, в котором циркуляция теплоносителя первого контура осуществлялась пароводяными струйными аппаратами. Специально для использования в ядерном моноблочном ППА был создан  ПВСА имеющий высокий коэффициент инжекции и достаточный срывной напор. В результате этой работы был разработан моноблочный ППА, в котором все элементы первого контура: водо-водяная кипящая АЗ, парогенератор, паровой компенсатор объема и ПВСА располагались в едином прочном корпусе. Такой моноблочный ППА получил название «Бета».

Учитывая, что наиболее обоснованной альтернативой электрическим ЦНПК являются ПВСА, в диссертации были разработаны конструкция ПВСА, конструктивные и тепловые схемы ППА с ПВСА (рис. 1, 2). Зеленые стрелки показывают подвод и отвод тепловой энергии.

1 – кипящая АЗ, 2 – сепаратор, 3 – парогенератор, 4 – ПВСА.

Рис. 1 - Простейшая схема первого контура ППА «Бета».

1 – кипящая АЗ, 2 – сепаратор, 3 – парогенератор, 4 – ПВСА, 5 – водо-водяной инжектор.

Рис. 2 - Схема двухступенчатого первого контура ППА «Бета».

Выполненные исследования свидетельствуют о том, что ПВСА целесообразно использовать также в системах теплоснабжения.

Теплоснабжение страны выходит далеко за пределы отраслевой энергетической задачи. Теплоснабжение по расходу первичных топливно-энергетических ресурсов является самым крупным сегментом в энергообеспечении страны.

Однако техническое состояние теплового хозяйства России и его производственная деятельность – ниже критического уровня. В настоящее время потери тепловой энергии только при ее транспортировке в некоторых случаях достигают 50 %. Причем сегодняшнее состояние системы теплоснабжения в России является настолько тяжелым, что время для постепенного реформирования отрасли упущено. Необходимо принимать срочные меры, иначе процесс станет необратимым.

В качестве таких мер предлагается внедрение струйных технологий. Внедрение струйных технологий в равной степени эффективно как при создании новых систем теплоснабжения, так и в ходе модернизации реально существующих. Использование ПВСА обеспечивает:

- снижение затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя,

- снижение капитальных затрат на строительство, поскольку отпадает необходимость установки сетевых электронасосов и бойлеров,

- снижение затрат на будущие ремонты, из-за отсутствия сетевых электронасосов и бойлеров, отличающихся ограниченным ресурсом.

В действующих системах теплоснабжения использование ПВСА позволит уменьшить эксплуатационные затраты котельной, увеличив, соответственно финансирование работ по замене теплотрасс. Это, в свою очередь, позволит более интенсивно проводить модернизацию теплотрасс.

Учитывая, что наиболее обоснованной альтернативой сетевым электронасосам являются ПВСА, в диссертации были разработаны конструкция ПВСА, конструктивные и тепловые схемы систем теплоснабжения и горячего водоснабжения (ГВС) с ПВСА (рис. 3).

Уже появилась плавучая АЭС (ПАЭС). Для контура теплоснабжения ПАЭС была обоснована схема с прямоточным ПГ (рис. 4).

1 – подвод питательной воды, 2 – ПГ на органическом топливе, 3 - ПВСА, 4 – обратная магистраль, 5 – отопительная система, 6 – отбор воды на ГВС, 7 – элеватор, 8 - прямая магистраль.

Рис. 3 - Элеваторный сетевой контур системы теплоснабжения с ПВСА.

На основании выполненного анализа современного состояния плавучих и стационарных систем теплоэлектроснабжения были поставлены задачи исследования.Наиболее важными из них являются:

- разработка универсальных математических моделей струйных аппаратов, методов расчета и программ для расчета характеристик, в том числе эксплуатационных, четырех типов струйных аппаратов: ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в первом контуре, ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в сетевом контуре системы теплоснабжения, водо-водяного инжектора для двухступенчатого первого контура с пароводяными струйными аппаратами (ПВСА), водо-водяного инжектора для системы теплоснабжения (элеватора);

1 - прямоточный ПГ, 2 - отсечные клапаны, 3 - подпитка сетевого контура, 4 - обратный трубопровод, 5 - потребители, 6 – отбор воды на ГВС, 7 - прямой трубопровод, 8 - сетевые ПВСА, 9 - регулирующий клапан, 10 - питательные ПВСА.

Рис. 4 - Система теплоснабжения для ПАЭС.

- разработка математических моделей и программ стационарных и нестационарных процессов в различных системах с ПВСА, в том числе в схемах с водо-водяными инжекторами (элеваторами); оценка достоверности  и адекватности  разработанных математических моделей;

- конструктивная проработка методами твердотельного проектирования судового ядерного моноблочного ППА типа «Бета»;

- расчетно-теоретические исследования статических и динамических характеристик ядерных моноблочных ППА типа «Бета»;

- расчетно-теоретические исследования условий и закономерностей самостоятельного запуска и остановки ПВСА в ядерных моноблочных ППА типа «Бета» и обоснование схем параллельной работы ПВСА;

- разработка методики и  оценка эффективности и работоспособности стенда системы теплоснабжения котельной СПбГМТУ;

- получение на базе экспериментальных данных котельной СПбГМТУ регрессионных зависимостей для интегральных коэффициентов передачи мощности;

- расчетно-теоретические исследования статических и динамических характеристик на примере стенда системы теплоснабжения с ПВСА котельной СПбГМТУ;

- оптимизация параметров ПВСА и систем с ПВСА, создание методологии формирования систем с ПВСА;

- изготовление опытных образцов ПВСА и проведение их экспериментальных исследований с целью оценки предельных напоров при термодинамических параметрах теплоносителя, характерных для систем, транспортирующих тепловую энергию;

- проведение полномасштабных гидравлических и теплотехнических испытаний ППА типа «Бета» на экспериментальном стенде «Бета-К» и  системы теплоснабжения с ПВСА на стенде котельной СПбГМТУ.

Во второй главе представлены разработанные математические модели струйных аппаратов и систем, использующих такие устройства.

Показано, что в системах, транспортирующих тепловую энергию, в качестве перспективных струйных аппаратов могут использоваться два вида водо-водяных инжекторов (ВВИ). Один из них - элеваторы (рис. 5), которые используются в тепловых сетях для подключения потребителей. В элеваторах инжектируемая среда забирается из камеры подсоса.

Установлено, что использование элеваторов в двухступенчатом первом контуре ППА «Бета» нецелесообразно. Для двухступенчатого первого контура ППА «Бета» был предложен водо-водяной инжектор с двумя соплами (рис. 6).

Рис. 5 - Схема элеватора.

Рис. 6 - Схема ВВИ.

В результате выполненных исследований были разработаны и рекомендованы для практики аналитические зависимости относительного напора от коэффициента инжекции для элеватора и водо-водяного инжектора с двумя соплами.

Выполненные исследования позволяют рекомендовать зависимости относительного напора H от коэффициента инжекции u:

- элеватора:

,                                                        (1)

, ,

- водо-водяного инжектора с двумя соплами:

,                                        (2)

, , ,

где  - площадь соответственно среза центрального сопла, среза кольцевого сопла и цилиндрической камеры смешения, 1, 2, КС, 3 - коэффициенты потерь соответственно в центральном сопле, кольцевом сопле, камере смешения и диффузоре. – коэффициент увеличения входного импульса, отнесенного к динамическому напору на выходе из цилиндрической камеры.

1 - экспериментальная зависимость, 2 -  расчетная зависимость при = 1,45.

Рис. 7 - Относительный напор ВВИ.

На основе экспериментальных данных были также определены коэффициенты потерь (рис. 7). Было установлено, что ВВИ имеет две рабочих области (). В одной рабочей области рабочим является центральное сопло, при этом повышается статическое давление среды, поступающей в кольцевое сопло. В другой - рабочим является кольцевое сопло, при этом повышается статическое давление среды, поступающей в центральное сопло.

Данные выводы были использованы при создании принципиально новых ПВСА.

Принципиальные отличительные черты этого ПВСА – дозвуковое паровое сопло и особая форма проточной части (рис. 8). Пар и вода разгоняются в соплах и поступают в конфузорный участок проточной части. За срезом парового сопла движется неравновесный двухфазный поток - смесь насыщенного пара и недогретой до насыщения воды. Благодаря особой форме проточной части, полной конденсации пара в конфузоре не происходит. В проточной части, имеет место дальнейший разгон двухфазной смеси и выравнивание скоростей воды и пара.

1 - паровое сопло, 2 - первый конфузор, 3 - второй конфузор, 4 - цилиндрическая часть, 5 - первый диффузор, 3 - второй диффузор, L1 - длина первого конфузора.

Рис. 8 - Схема проточной части ПВСА.

В цилиндрическом участке проточной части ПВСА устанавливается критическое течение двухфазной смеси. В диффузоре продолжается дальнейший разгон двухфазной смеси при этом в диффузоре устанавливается сверхкритическое течение. В некотором сечении диффузора происходит скачок конденсации, в котором резко повышается статическое давление. За скачком конденсации в диффузоре происходит торможение воды с соответствующим повышением статического давления.

Благодаря отсутствию сверхкритического парового сопла, ПВСА является многорежимным устройством. Расход ПВСА определяется параметрами воды и пара на входе в ПВСА и, в определенных пределах, не зависит от противодавления (при повышении противодавления скачок конденсации смещается к входу в диффузор, при понижении - наоборот). В этом смысле, характеристика такого ПВСА похожа на характеристику объемного насоса.

На основе многочисленных экспериментов была получена формула для расхода воды на входе в ПВСА:

,                (3)

где GВ – расход воды на входе в ПВСА, fКС - площадь поперечного сечения цилиндрического участка проточной части,  u – коэффициент инжекции, v, v - удельный объем соответственно воды и водяного на линии насыщения, pВ – давление воды на входе в ПВСА, vВ -  удельный объем соответственно воды на входе в ПВСА, tВ, tСМ -  температура соответственно воды на входе в ПВСА и смеси на выходе из ПВСА, n – показатель политропы, А, z – эмпирические коэффициенты, зависящие от формы проточной части.

Экспериментальные исследования показали также, что статическое давление в цилиндрической камере ПВСА приблизительно равно давлению насыщения, рассчитанному по температуре смеси на выходе из ПВСА. Максимальный (срывной) напор ПВСА развивает тогда, когда скачок конденсации располагается непосредственно на выходе из цилиндрического участка камеры смешения. Тогда  срывной напор ПВСА можно определить по формуле:

,                                        (4)

где pСРЫВ – срывной напор ПВСА, pСК – повышение давления в скачке конденсации, pД – повышение давления в диффузоре.

Было принято допущение, что перед скачком конденсации пар и вода находятся в состоянии насыщения и движутся без проскальзывания. Также полагали, что удельный объем воды не зависит от температуры. Для этих условий получена формула для повышения давления в скачке конденсации. А отклонение реального течения от указанных допущений можно учесть с помощью КПД скачка конденсации. Тогда формула (4) преобразуется

,        (5)

где GП – расход пара на входе в ПВСА, СК – КПД скачка конденсации, Д – КПД диффузора.

Срывной напор ПВСА по формуле (5) определяется со значительной погрешностью, однако на качестве статических и динамических расчетов первого контура это практически не сказывается. Отличительной чертой диссертации является то, что в ней рассмотрены различные схемы с ПВСА, в том числе, схемы, предполагающие использование нескольких параллельно включенных ПВСА. Было установлено, что перед выключением ПВСА расход через него снижается. Поэтому в момент выключения ПВСА, его вклад в общий расход, по крайней мере, в правильно спроектированном контуре оказывается не существенным.

Профессором Шамановым Н.П. была разработана и верифицирована методика расчета ПВСА, в основе которой лежит расчет одномерного неравновесного течения двухскоростного двухфазного потока в канале произвольной формы. Эта методика дает более высокую точность, но требует больших затрат машинного времени. Поэтому предложенная методика расчета ПВСА используется, в основном, для исследования самих ПВСА. В диссертации были разработаны подходы упрощения методики Шаманова Н.П.

Учитывая универсальный характер разработанных ПВСА, была исследована возможность его использования в качестве циркуляционного средства в сетевом контуре различных систем теплоснабжения.

В системах теплоснабжения ПВСА работают при давлении 0,5-0,7 МПа. При таком давлении оказалось целесообразным увеличить диаметр парового сопла. Поэтому профессором Шамановым Н.П. был разработан второй вариант методики расчета ПВСА, которая была откорректирована в соответствии с экспериментальными данными, полученными для вновь разработанных универсальных ПВСА.

В диссертации был разработан типоразмерный ряд перспективных ПВСА, и для каждого варианта были рассчитаны эксплуатационные характеристики и конструктивные элементы. Параметры ПВСА были определены, исходя из возможности их массового использования в реальных системах теплоснабжения.

Оказалось целесообразным, характеристики, рассчитанные для типоразмерного ряда ПВСА, использовать как базу данных, и на их основе интерполяцией определять характеристики произвольного ПВСА.

С помощью этой базы данных были исследованы свойства ПВСА для систем теплоснабжения.

Для первого контура, изображенного на рис. 1, можно записать два независимых уравнения, устанавливающих тот факт, что изменение статического давления при обходе замкнутого контура должно равняться нулю (то есть напор должен быть равен гидравлическому сопротивлению):

,                                                (6)

,                                (7)

где pПС, pВС - перепады статического давления соответственно на паровом и водяном соплах; pПГ, pАЗ, pПК, pС - гидравлическое сопротивление ПГ, АЗ, подъемного канала и сепаратора соответственно; pНИВ - нивелирный напор воды над срезом парового сопла ПВСА; pПВСА, pЕЦ – напор ПВСА и естественной циркуляции соответственно.

Особенностью этих уравнений является то, что они не всегда определяют расход.

Если ПВСА работает как насос, то расход воды на ПВСА определяется уравнением (3), уравнение (6) определяет расход пара на ПВСА, а уравнение (7) определяет напор ПВСА, который должен быть меньше срывного напора (5).

Если ПВСА работает как гидравлическое сопротивление, то уравнение (7) определит расход воды GВ на входе в ПВСА.

В диссертации представлены математические модели и алгоритмы расчета следующих вариантов систем с ПВСА:

- простейшая схема первого контура ППА «Бета» (рис. 1),

- схема двухступенчатого первого контура ППА «Бета» (рис. 2),

- элеваторная схема сетевого контура системы теплоснабжения с ПВСА (рис. 3).

Для каждого из четырех типов струйных аппаратов были разработаны универсальные математические модели, и на их основе разработаны математические модели и алгоритмы расчета контуров, использующих такие струйные аппараты.

Эти математические модели и алгоритмы расчета контуров позволили легли в основу комплексного исследования ядерного моноблочного ППА «Бета».

Рис. 9 - Ядерный моноблочный ППА типа «Бета» мощностью 150 МВт.

В третьей главе были исследованы теоретические основы, принципы функционирования и конструктивные особенности ядерного моноблочного ППА «Бета». В ходе выполненных исследований под руководством автора диссертации были проанализированы по ряду показателей несколько вариантов компоновки ППА «Бета» различной мощности. Предпочтение было отдано компоновке ППА «Бета» мощностью 150 МВт (рис. 9) со следующими основными параметрами:

- давление теплоносителя 10 МПа,

- массовое паросодержание на выходе из АЗ 0,07,

- недогрев смеси за ПВСА до насыщения 21 °С.

Было исследовано влияние различных параметров на статические характеристики ППА «Бета».

Как показали исследования, в рассмотренном интервале параметров характер статических зависимостей одинаков. Это позволяет заключить, что такой вид характеристик определен свойствами самого агрегата (по крайней мере, в рассмотренном интервале параметров).

Особое внимание в диссертации было уделено исследованию различных нестационарных процессов, в том числе, аварийных режимов. В рамках этих исследований было изучено влияние принудительного отключения ПВСА с целью выявления общих закономерностей.

Было установлено, что при снижении мощности ППА значительно снижается давление в контуре и увеличивается общий коэффициент инжекции. Последовательное и постепенное отключение ПВСА ограничивает интервал изменения указанных параметров. Таким образом, отключение ПВСА положительно влияет на характеристики ППА.

Постепенное отключение ПВСА при снижении мощности АЗ можно обеспечить путем разверки коэффициентов инжекции ПВСА - установки в агрегат ПВСА с различными коэффициентами инжекции. В диссертации разработаны правила выбора коэффициентов инжекции ПВСА, и изучены статические характеристики ППА «Бета».

Рис. 10 - Статические характеристики ППА «Бета» мощностью 150 МВт.

На первом этапе исследований ППА «Бета» было определено целесообразное число ПВСА. Для обеспечения работы ППА с заданными параметрами потребовалось 32 ПВСА. Эти 32 ПВСА обеспечивают общий коэффициент инжекции на номинальном режиме 13,29. При снижении мощности, как правило, сначала отключаются ПВСА с наибольшим коэффициентом инжекции, затем - по мере уменьшения коэффициента инжекции (рис. 10). Запуск ПВСА происходит в обратном порядке.

На практике более важной проблемой при параллельной работе ПВСА в ядерном моноблочном ППА «Бета» является их поочередный запуск.

На режимах ограниченной мощности (до ~20 %) циркуляция в контуре осуществляется за счет напора естественной циркуляции. Вода проходит через проточные части всех ПВСА, невозвратные клапаны за всеми ПВСА открыты. Пар или не поступает в проточную часть ПВСА, или поступает, но сразу конденсируется – все ПВСА является гидравлическим сопротивлением.

При некотором повышении мощности один или несколько ПВСА могут запуститься. Однако циркуляция в контуре по-прежнему осуществляется за счет напора естественной циркуляции. Вода проходит через проточные части неработающих ПВСА, невозвратные клапаны за всеми ПВСА открыты.

При дальнейшем повышении мощности осуществляется запуск основной части ПВСА. Когда суммарный расход работающих ПВСА превысит расход естественной циркуляции, циркуляция в контуре будет осуществляться за счет напора ПВСА. Это вызовет закрытие невозвратных клапанов за неработающими ПВСА.

Закрытие невозвратных клапанов за неработающими ПВСА прекращает движение теплоносителя через их проточные части. Между тем, необходимым условием запуска ПВСА является движение теплоносителя через проточную часть и, как следствие, поступление пара в паровое сопло ПВСА.

В диссертации исследованы условия поступления пара в ПВСА, и была обоснована схема запуска ПВСА с помощью перемычек между цилиндрическими камерами проточных частей. Такая схема запуска заявлена в патенте, автор диссертации является одним из соавторов патента. При этом закономерности запуска ПВСА исследованы впервые, что является отличием данной диссертации.

В диссертации разработана математическая модель и алгоритм расчета нестационарных процессов в ППА «Бета». Была также разработана программа для ЭВМ, и выполнены расчетные исследования.

В ППА «Бета», благодаря использованию пароводяного компенсатора объема, на режимах повышения мощности перерегулирования по давлению не наблюдается. Перерегулирование по подводимой мощности определяется скоростью изменения отводимой мощности. Длительность переходного процесса не превышает трех периодов действия  возмущения.

Несколько иначе протекают процессы понижения мощности. Они значительно более длительные, колебательный процесс имеет в три раза большую продолжительность, включение и выключение ПВСА происходит и после окончания процесса снижения мощности.

Большую роль в процессе изменения расхода теплоносителя при снижении мощности играет и число работающих ПВСА на номинальном режиме. Чем оно больше, тем больше возможности получить плавное изменение расхода в процессе маневрирования мощностью. Для обеспечения требуемого качества переходных процессов необходимо иметь не менее 24 ПВСА.

Дополнительно было изучено влияние качки, а также колебаний отводимой мощности и реактивности.

Было установлено, что ППА типа «Бета» в наиболее законченной форме воплощают в себе идею «конструктивной безопасности». Причем «конструктивная безопасность», в первую очередь, проявляется в аварийных ситуациях.

В четвертой главе представлены результаты выполненных обширных экспериментальных исследований моноблочного ППА «Бета» для плавучей системы атомного теплоэлектроснабжения.

Для натурного моделирования основных теплофизических и гидродинамических процессов, протекающих в моноблочных установках ППА типа «Бета», на Приморской учебно-научной базе СПбГМТУ был создан специальный универсальный испытательный стенд «Бета–К» (рис. 11).

В 2010 году в процессе модернизации стенда «Бета-К» была создана система автоматизированного сбора и обработки информации, обеспечивающая сбор и отображение информации, поступающей с датчиков экспериментальной установки в режиме реального времени, а также сохранение информации о параметрах установки за время проведения эксперимента.

Графическая информация о состоянии экспериментальной установки «Бета-К» выводилась на два дисплея управляющего компьютера. Основной дисплей отображал активную мнемосхему с данными о текущих параметрах установки и пиктограммами системы дистанционного управления (рис. 12). На вспомогательном мониторе отображались графики выбранных оператором процессов в реальном времени (рис. 13).

Созданный стенд позволил впервые подтвердить и уточнить математические модели, экспериментально изучить закономерности работы ППА «Бета».

На стенде выполнены обширные экспериментальные исследования статических и динамических характеристик ППА «Бета» (рис. 14). На стенде также выполнены исследования запуска ПВСА, в том числе, совместного. Было изучено влияние положения уровня в компенсаторе объема, очередность запуска ПВСА, взаимное расположение ПВСА и др. (рис. 15).

В целом, эксперименты подтвердили работоспособность контура с ПВСА и правильность используемых расчетных зависимостей.

Рис. 12 - Активная мнемосхема «Бета-К»

в процессе проведения эксперимента.

Основной дисплей.

Рис. 13 - Обработка журнала эксперимента. Вспомогательный дисплей.

1 – ППА (парогенератор с компенсатором объема); 2 – ПВСА; 3 – собирающий коллектор; 4 – раздающий коллектор; 5 – элементы нагревателя; 6 – цапф-подвесы.

Рис. 11 - Испытательный стенд «Бета-К».

Рис. 14 - Статические характеристики агрегата «Бета-К».

Рис. 15 - Совместный запуск ПВСА.

Пятая глава посвящена исследованию усовершенствованной стационарной системы теплоснабжения. В качестве примера была выбрана котельная СПбГМТУ, которая была модернизирована - в сетевом контуре были установлены два ПВСА.

Это связано с тем, что эта система включает в себя все основные элементы традиционных систем теплоснабжения.

Исследования показали, что в сети котельной СПбГМТУ нет длинных теплотрасс с непредсказуемой утечкой тепла. Потребителями тепла в сети котельной СПбГМТУ являются только жилые и офисные помещения. То есть, все потребители имеют примерно одинаковый температурный режим. Таким образом, выявленные свойства сети котельной СПбГМТУ являются характерными для типовых систем теплоснабжения.

Для исследования основных закономерностей функционирования системы теплоснабжения СПбГМТУ была проанализирована ее работа в период с 1995 года по 2005 год. При этом было установлено, что в течение отопительного сезона 2002-2003 годов котельная работала в наиболее широком диапазоне мощностей.

Рис. 16. Данные по температуре воды в прямой (красные) и в обратной (синие) магистралях в зависимости от температуры наружного воздуха (сплошные линии - осредненные зависимости).

Поэтому именно этот период в первую очередь был выбран для исследования. Данные были взяты из суточных ведомостей котельной. При этом для каждого месяца были выбраны холодные сутки, теплые сутки и сутки со средней температурой.

Температуры в суточных ведомостях котельной указаны с точностью до 1 °С, поэтому данные по температуре воды в магистралях скрывают многократное наложение точек (рис. 16). Для того, чтобы это учесть, было выполнено осреднение данных по температуре наружного воздуха - было вычислено среднеарифметическое значение всех точек в интервале 1 градус.

Поскольку теплотрасса в рассматриваемый период находилась в удовлетворительном состоянии, расход на ГВС был принят равным расходу воды на подпитку сети (рис. 17). Эти данные позволили определить мощность, передаваемую отопительной системе (рис. 18).

Рис. 17. Типичное изменение расхода воды на подпитку сети в течение суток.

Рис. 18. Данные по мощности, передаваемой отопительной системе, в зависимости от температуры наружного воздуха (сплошная линия - осредненная зависимость).

Обычно мощность, передаваемая от одного тела к другому, вычисляется через коэффициент передачи мощности и площадь поверхности теплообмена:

,                                                                (8)

где N – мощность, k - коэффициент теплопередачи, F - площадь поверхности теплообмена, t – температурный напор.

Для решения задачи исследования в диссертации автором было предложено в качестве характеристик отапливаемого объекта и отопительной системы использовать коэффициенты пропорциональности, равные произведению kF для всей отопительной системы.

Тогда мощность, передаваемую от воздуха в помещении к наружному воздуху, и мощность, передаваемую от отопительной системы непосредственно к наружному воздуху, можно выразить соответственно

,                                                        (9)

,                                                        (10)

где N - мощность, (kF)Н – интегральный коэффициент передачи мощности от воздуха в помещении к наружному воздуху, (kF) – интегральный коэффициент передачи мощности от отопительной системы непосредственно к наружному воздуху, tТН – средняя температура теплоносителя в отопительной системе,  tПОМ – температура воздуха в помещении, tНВ – температура наружного воздуха.

Для интегральных коэффициентов передачи мощности (рис. 19, 20) предложены уравнения:

,                                                (11)

если tНВ < -17,5,        то ;

если -17,5 tНВ < -3,5,        то ;                        (12)

если -3,5 tНВ,                то .

Рис. 19 - Аппроксимационная зависимость для интегрального коэффициента (kF) .

Рис. 20 - Аппроксимационная зависимость для интегрального коэффициента (kF)Н .

Эти зависимости позволяют обоснованно проводить расчетно-теоретические исследования систем теплоснабжения.

В шестой главе был обоснован и предложен способ регулирования мощности, передаваемой  системой теплоснабжения с ПВСА, и выполнено расчетно-теоретическое исследование статических и динамических характеристик систем теплоснабжения с ПВСА. Была установлена зависимость давления пара от температуры наружного воздуха и расхода на ГВС, обеспечивающая постоянную температуру в обогреваемом помещении (рис. 21), и состояние сетевого контура при изменении температуры наружного воздуха (рис. 22).

Было установлено, что предложенный способ регулирования мощности обеспечивает поддержание постоянной температуры воздуха в обогреваемом помещении при любых значениях температуры наружного воздуха и расхода на ГВС. Постоянная температура воздуха в обогреваемом помещении обеспечивается также при любой реальной скорости изменения температуры наружного воздуха.

Применительно к плавучим станциям в качестве ядерного ППА предлагается использовать ядерный моноблочный ППА типа «Бета». Во-первых, установка типа «Бета» обеспечивает качественно более высокий уровень безопасности - «конструктивную безопасность». Во-вторых, установка типа «Бета» не расходует электроэнергию на циркуляцию теплоносителя первого контура.

В диссертации исследованы варианты системы теплоснабжения в случае использования ядерного моноблочного ППА «Бета». В зависимости от состава потребителей  система теплоснабжения в принципе может быть одноконтурной, двухконтурной и трехконтурной. Было установлено, что наиболее предпочтительной является трехконтурная схема системы теплоснабжения ПАТЭС с подключением сетевого контура ко второму контуру ППА.

Рис. 21 - Зависимость давления пара перед ПВСА pП , коэффициента инжекции ПВСА uПВСА и расхода теплоносителя в прямой магистрали GПМ  от температуры наружного воздуха.

Расход на ГВС 3 кг/с. Давление пара меняется в соответствии с рис. 21.

Рис. 22 - Снижение температуры наружного воздуха от +5 °С до –25 °С со скоростью 20 °С/сут.

Для оценки эффективности принятых решений было выполнено сопоставление сетевого контура с электронасосом и сетевого контура с ПВСА. Было, в частности, установлено, что сетевой контур с ПВСА при изменении температуры наружного воздуха  и при отсутствии регулирования обеспечивает по сравнению с сетевым контуром с электронасосом меньшее отклонение температуры в обогреваемом помещении от заданной.

В седьмой главе было проведено экспериментальное исследование системы теплоснабжения с ПВСА с целью подтверждения достоверности и работоспособности математических моделей.

На базе котельной СПбГМТУ в Ульянке был создан стенд ПВСА. Стенд оснащен, как и стенд «Бета-К», системой автоматизированного сбора и обработки информации.

В целом, эксперименты подтвердили работоспособность контура с ПВСА и правильность используемых расчетных зависимостей.

Положительный эффект от внедрения ПВСА в системы теплоснабжения достигается в нескольких направлениях.

Во-первых, достигается снижение затрат электроэнергии котельной. Например, по общепринятой классификации котельная СПбГМТУ относится к мелким котельным. Циркуляция теплоносителя в сетевом контуре осуществляется сетевым электронасосом мощностью 30 кВт. Переход на ПВСА в сетевом контуре в котельной СПбГМТУ даст экономию электроэнергии около 700 кВт·час в сутки.

Во-вторых, отпадает необходимость установки в строящейся (ремонта или замены в действующей) котельной бойлеров. По крайней мере, снижается количество установленных сетевых электронасосов и затраты на их ремонт. Это дает более существенную экономию затрат, однако оценить ее на данном этапе не представляется возможным.

В-третьих, снижается техногенная нагрузка на окружающую среду - отпадает необходимость выработки 700 кВт·час электроэнергии на тепловой электростанции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполненных исследований:

- разработаны универсальные математические модели, методы расчета и программы для расчета характеристик, в том числе эксплуатационных,  четырех наиболее предпочтительных типов струйных аппаратов: ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в первом контуре, ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в сетевом контуре системы теплоснабжения, водо-водяного инжектора для двухступенчатого первого контура с пароводяными струйными аппаратами (ПВСА), водо-водяного инжектора для системы теплоснабжения (элеватора);

- разработаны математические модели и программы стационарных и нестационарных процессов в различных системах с ПВСА, в том числе в схемах с водо-водяными инжекторами (элеваторами); дана оценка достоверности  и адекватности  разработанных математических моделей;

- конструктивно проработан методами твердотельного проектирования судовой ядерный моноблочный ППА типа «Бета»;

- выполнены расчетно-теоретические исследования статических и динамических характеристик ядерных моноблочных ППА типа «Бета»;

- выполнены расчетно-теоретические исследования условий и закономерностей самостоятельного запуска и остановки ПВСА в ядерных моноблочных ППА типа «Бета» и обоснованы схемы параллельной работы ПВСА; выполнены исследования переходных режимов запуска и срыва ПВСА в ППА «Бета»;

- разработана методика оценки эффективности и работоспособности систем теплоснабжения и выполнена оценка эффективности системы теплоснабжения на примере стенда системы теплоснабжения с ПВСА котельной СПбГМТУ с учетом наиболее показательного отопительного сезона 2002-2003 годов;

- разработаны регрессионные зависимости для интегральных коэффициентов передачи мощности, определенные на базе экспериментальных данных котельной СПбГМТУ;

- выполнены расчетно-теоретические исследования статических и динамических характеристик системы теплоснабжения с ПВСА на примере стенда системы теплоснабжения с ПВСА котельной СПбГМТУ;

- выполнена оптимизация параметров ПВСА и систем с ПВСА, создана методология формирования систем с ПВСА;

- изготовлены опытные образцы ПВСА и проведено их экспериментальное исследование с целью оценки предельных напоров при термодинамических параметрах теплоносителя, характерных для систем, транспортирующих тепловую энергию;

- проведены полномасштабные гидравлические и теплотехнические испытания ППА типа «Бета» на экспериментальном стенде «Бета-К» и  системы теплоснабжения с ПВСА на стенде котельной СПбГМТУ.

Основные публикации по теме диссертации

Научные статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Шаманов Н.П., Кожемякин В.В., Ревков М.В., Дюкарев А.В. Парогенерирующий агрегат «Бета» // Морской вестник. - 2007. - Спец. выпуск № 1. - С. 124-125 (авт. – 30 %).

2. Шаманов Н.П., Кожемякин В.В., Алексеенко И.М., Шкляров Н.В. Ядерный моноблочный паропроизводящий агрегат с кипящей активной зоной, паровым компенсатором объема и струйными средствами циркуляции // Морской вестник. - 2010. - № 2. - С. 53-56 (авт. – 30 %).

3. Шаманов Н.П., Кожемякин В.В., Шаманов Д.Н., Соломянский В.Б, Алексеенко И.М. Полунатурный стенд для экспериментальных исследований судового ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата «Бета» // Морской вестник. - 2011. - № 2. - С. 47-48 (авт. – 20 %).

4. Кожемякин В.В., Лоханов А.В. Расчетно-теоретическое исследование безбойлерной системы теплоснабжения с пароводяными струйными средствами циркуляции // Морской вестник. - 2011. - № 3. - С. 49-50 (авт. – 80 %).

Патенты

5. Кожемякин В.В., Шаманов Н.П. Система запуска струйных аппаратов. Патент на изобретение № 2317451. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации, 2006 (авт. – 50 %).

6. Кожемякин В.В., Шаманов Н.П. Система тепловодоснабжения. Патент на изобретение № 2319902. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации, 2006 (авт. – 50 %).

7. Кожемякин В.В., Шаманов Н.П. Система тепловодоснабжения (варианты). Патент на изобретение № 2327080. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации, 2006 (авт. – 50 %).

8. Кожемякин В.В., Шаманов Н.П. Устройство первого контура двухконтурной ядерной энергетической установки. Патент на изобретение № 2342717. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации, 2007 (авт. – 50 %).

9. Кожемякин В.В., Шаманов Н.П. Устройство первого контура двухконтурной ядерной энергетической установки. Патент на полезную модель № 99236. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации, 2010 (авт. – 50 %).

10. Кожемякин В.В., Лоханов А.В., Шаманов Н.П. Система тепловодоснабжения. Патент на полезную модель № 107330. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации, 2011 (авт. – 33 %).

11. Кожемякин В.В., Коршунов А.И., Шаманов Н.П. Устройство первого контура двухконтурной ядерной энергетической установки. Патент на полезную модель № 111708. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации, 2011 (авт. – 33 %).

Программы ЭВМ

12. Кожемякин В.В. Расчет парогенератора для судовой ядерной энергетической установки. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010612286. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации, 2009 (авт. – 100 %).

13. Кожемякин В.В. Расчет нестационарных процессов энергосберегающей безбойлерной  системы теплоснабжения со струйными аппаратами. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010615513. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации, 2010 (авт. – 100 %).

14. Кожемякин В.В., Алексеенко И.М. Программный модуль расчета теплофизических свойств воды и водяного пара. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011619232. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации, 2011 (авт. – 70 %).

Другие публикации

15. Кожемякин В.В., Хохлушин А.И., Шаманов Н.П. Исследование струйных водо-водяных насосов. – Труды ЛКИ: Физико-технические проблемы судовой энергетики, 1979, с.140-146 (авт. – 33 %).

16. Кожемякин В.В., Шаманов Д.Н. Доклад «Особенности работы котельной СПбГМТУ». Материалы региональной научно-технической конференции с международным участием «Кораблестроительное образование и наука – 2005», СПбГМТУ, 2005, том II, с. 73–78 (авт. – 50 %).

17. Кожемякин В.В. Доклад «Согласование характеристик сети теплоснабжения и пароводяного струйного аппарата». Материалы региональной научно-технической конференции с международным участием «Кораблестроительное образование и наука - 2005», СПбГМТУ, 2005, том II, с. 79-84 (авт. – 100 %).

18. Кожемякин В.В. Шаманов Н.П., Коршунов А.И. Доклад «Расчетно-теоретическое исследование работы пароводяных струйных аппаратов в паропроизводящем агрегате «Бета»». Материалы Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики», СПбГМТУ, 2012, с. 297-299 (авт. – 40 %).

19. Кожемякин В.В. Шаманов Н.П., Лисицын Ф.С. Доклад «Расчётно-теоретическое исследование пароводяных струйных аппаратов для систем теплоснабжения». Материалы Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики», СПбГМТУ, 2012, с. 299-301 (авт. – 40 %).

20. Кожемякин В.В. Шаманов Н.П., Лоханов А.В. Доклад «Расчетно-теоретическое исследование системы теплоснабжения для плавучей атомной теплоэлектростанции». Материалы Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики», СПбГМТУ, 2012, с. 301-303 (авт. – 40 %).

Научно-технические отчеты

21. Разработка и оптимизация характеристик энергосберегающих безбойлерных систем теплоснабжения со струйными средствами циркуляции, не требующих затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя [Текст] : отчет о НИР (промежуточ.) : контракт 34/06/Х-918 / СПбГМТУ; рук. Кожемякин В.В. - Санкт-Петербург, 2006. - 52 с. - Библиогр.: с. 44-45. - № ГР  01200701606. - Инв. № 02200700638 (авт. – 100 %).

22. Разработка и оптимизация характеристик энергосберегающих безбойлерных систем теплоснабжения со струйными средствами циркуляции, не требующих затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя [Текст] : отчет о НИР (заключ.) : контракт 34/06/Х-918 / СПбГМТУ; рук. Кожемякин В.В. ; исполн.: Шаманов Д.Н. - Санкт-Петербург, 2006. - 81 с. - Библиогр.: с. 80-81. - № ГР  01200701606. - Инв. № 02200700639 (авт. – 80 %).

23. Разработка и оптимизация характеристик энергосберегающих систем теплоснабжения со струйными средствами циркуляции, не требующих затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя теплоносителя [Текст] : отчет о НИР (промежуточ.) : контракт 47/05/Х-825 / СПбГМТУ; рук. Шаманов Н.П. ; исполн.: Кожемякин В.В., Галушин С.Я., Шаманов Д.Н. - Санкт-Петербург, 2005. - 62 с. - № ГР  01200612521. - Инв. № 02200607279 (авт. – 20 %).

24. Разработка и оптимизация характеристик энергосберегающих систем теплоснабжения со струйными средствами циркуляции, не требующих затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя теплоносителя [Текст] : отчет о НИР (заключ.) : контракт 47/05/Х-825 / СПбГМТУ; рук. Шаманов Н.П. ; исполн.: Кожемякин В.В., Шаманов Д.Н. - Санкт-Петербург, 2005. - 81 с. - Библиогр.: с. 80-81. - № ГР  01200612521. - Инв. № 02200607280 (авт. – 70 %).

25. Разработка концепции максимально безопасной моноблочной ядерной парогенерирующей установки на основе использования кипящей активной зоны  и пароводяных струйных аппаратов [Текст] : отчет о НИР (промежуточ., этап № 1) : А-579 / СПбГМТУ; рук. Ревков М.В. ; исполн.: Шаманов Н.П., Кожемякин В.В., Кириченко Л.И. [и др.]. - Санкт-Петербург, 2006. - 78 с. - Библиогр.: с. 75. - № ГР 01200701607 (авт. – 20 %).

26. Разработка концепции максимально безопасной моноблочной ядерной парогенерирующей установки на основе использования кипящей активной зоны  и пароводяных струйных аппаратов Текст] : отчет о НИР (заключ.) : А-579 / СПбГМТУ; рук. Ревков М.В. ; исполн.: Шаманов Н.П., Кожемякин В.В. - Санкт-Петербург, 2008. - 49 с. - Библиогр.: с. 75. - № ГР 01200701607 (авт. – 75 %).

27. Разработка научно-технологической базы для создания энергосберегающей безбойлерной системы теплоснабжения со струйными средствами циркуляции не требующими затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя [Текст] : отчет о НИР (промежуточ., этап № 1) : Государственный контракт № 14.740.11.0106/Х-341 / СПбГМТУ; рук. Кожемякин В.В. ; исполн.: Шаманов Н.П., Шаманов Д.Н., Ефремова Г.В. [и др.]. - Санкт-Петербург, 2010. - 133 с. - Библиогр.: с. 107-110. - № ГР  01201064664 (авт. – 30 %).

28. Разработка научно-технологической базы для создания энергосберегающей безбойлерной системы теплоснабжения со струйными средствами циркуляции не требующими затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя [Текст] : отчет о НИР (промежуточ., этап № 2) : Государственный контракт № 14.740.11.0106/Х-341 / СПбГМТУ; рук. Кожемякин В.В. ; исполн.: Шаманов Н.П., Шаманов Д.Н., Ефремова Г.В. [и др.]. - Санкт-Петербург, 2011. - 137 с. - Библиогр.: с. 132. - № ГР  01201064664 (авт. – 35 %).

29. Разработка научно-технологической базы для создания энергосберегающей безбойлерной системы теплоснабжения со струйными средствами циркуляции не требующими затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя [Текст] : отчет о НИР (промежуточ., этап № 3) : Государственный контракт № 14.740.11.0106/Х-341 / СПбГМТУ; рук. Кожемякин В.В. ; исполн.: Шаманов Н.П., Шаманов Д.Н., Ефремова Г.В. [и др.]. - Санкт-Петербург, 2011. - 78 с. - Библиогр.: с. 70. - № ГР  01201064664 (авт. – 25 %).

30. Разработка научно-технологической базы для создания ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата для плавучих АЭС с высоким уровнем безопасности и энергосбережения за счет использования струйных технологий теплоносителя [Текст] : отчет о НИР (промежуточ., этап № 1) : Государственный контракт № П965/Х-237 / СПбГМТУ; рук. Шаманов Н.П. ; исполн.: Кожемякин В.В., Шаманов Д.Н. [и др.]. - Санкт-Петербург, 2009. - 87 с. - Библиогр.: с. 74-77. - № ГР 01200961489 (авт. – 40 %).

31. Разработка научно-технологической базы для создания ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата для плавучих АЭС с высоким уровнем безопасности и энергосбережения за счет использования струйных технологий [Текст] : отчет о НИР (промежуточ., этап № 2) : Государственный контракт № П965/Х-237 / СПбГМТУ; рук. Шаманов Н.П. ; исполн.: Кожемякин В.В., Шаманов Д.Н. [и др.]. - Санкт-Петербург, 2010. - 141 с. - Библиогр.: с. 110-115. - № ГР 01200961489 (авт. – 25 %).

32. Разработка научно-технологической базы для создания ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата для плавучих АЭС с высоким уровнем безопасности и энергосбережения за счет использования струйных технологий [Текст] : отчет о НИР (промежуточ., этап № 2, альбом чертежей) : Государственный контракт № П965/Х-237 / СПбГМТУ; рук. Шаманов Н.П. ; исполн.: Кожемякин В.В., Алексеенко И.М. - Санкт-Петербург, 2010. - 36 с. - № ГР 01200961489 (авт. – 60 %).

33. Разработка научно-технологической базы для создания ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата для плавучих АЭС с высоким уровнем безопасности и энергосбережения за счет использования струйных технологий [Текст] : отчет о НИР (заключ.) : Государственный контракт № П965/Х-237 / СПбГМТУ; рук. Шаманов Н.П. ; исполн.: Кожемякин В.В., Шаманов Д.Н. [и др.]. - Санкт-Петербург, 2011. - 162 с. - Библиогр.: с. 157-162. - № ГР 01200961489 (авт. – 40 %).

 






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.