Энергия, дающая свет и тепло

4106 статей опубликовали учёные СФУ в прошлом году. Статьи, как правило, это самое-самое, чем люди науки занимаются в данный момент. И мы хотим это самое-самое знать. А с кого начать, как не с Института инженерной физики и радиоэлектроники — бессменного лидера СФУ как по числу публикаций, так и по объёму привлечённых средств. Итак, мы начинаем рассказывать читателям, во-первых, об областях науки, которыми занимаются в СФУ, а во-вторых, — о конкретных исследованиях учёных.

Что это за наука — теплофизика? Если заглянуть в Википедию, то увидим: теплофизика — совокупность дисциплин, представляющих теоретические основы энергетики. В голове сразу всплывают образы ТЭС, ГЭС, АЭС. Так ли это? И да и нет.

Естественно, теплофизика имеет отношение к большой энергетике, дающей нам тепло и электроэнергию. Однако не стоит забывать, что преобразование энергии также происходит в звёздах, в ядрах планет, окружающем нас растительном мире, в живых организмах и практически во всех технических устройствах, которые создало человечество. Поэтому более точно будет сказать, что теплофизика занимается исследованием совместно протекающих физических процессов — тепловых, гидродинамических, диффузионных, оптических, электромагнитных, сопровождающихся фазовыми и химическими превращениями.

Необходимость решения теплофизических задач возникает практически во всех областях науки и техники: в энергетике, металлургии, нефтехимии, оптическом и электронном приборостроении, физической химии и физике твёрдого тела, криогенной технике и технике высоких температур, биологии и медицине, пищевой промышленности.

Кафедра теплофизики в Красноярске создавалась в начале 80-х годов прошлого века по инициативе тогдашнего ректора КГУ В.С. СОКОЛОВА. Для создания кафедры он подбирал в разных городах нашей страны молодых активных учёных. Заведующим стал его ученик В.С. СЛАВИН. В 1996 году кафедра получила второе рождение в КГТУ. За время её существования подготовлено более 400 выпускников, большинство из которых работает по специальности в научных организациях и на предприятиях.

В настоящее время костяк кафедры составляют молодые перспективные сотрудники, кандидаты наук, занимающиеся исследованиями, актуальными не только с фундаментальной, но и с прикладной точки зрения.

Андрей МИНАКОВ изучает свойства нанофлюидов; занимается моделированием газовых пламен (проекты с компанией Шлюмберже по дожиганию попутных газов нефтедобычи, консультировал специалистов завода Красмаш при разработке олимпийского факела) и нестационарных процессов в гидротурбинном оборудовании.

Михаил ЧЕРНЕЦКИЙ специализируется на задачах моделирования теплоэнергетических объектов, проводил широкий круг исследований по оптимизации процессов горения, теплообмена и снижению экологически опасных выбросов для наиболее перспективных котельных агрегатов по заданию различных научных институтов и предприятий.

Андрей ГАВРИЛОВ — специалист в области моделирования турбулентного переноса, участник проектов с компанией Бэйкер-Хьюз по моделированию движения раствора при бурении скважин, разработчик программных комплексов SigmaFlame и SigmaFire, широко используемых в энергетике и МЧС.

Константин ФИННИКОВ помогает коллегам из ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнёва» в расчёте и проектировании систем стабилизации спутников на орбите с помощью систем газовых струй. Осуществляет разработку перспективных тепловых машин с высокой энергетической эффективностью.

Остановлюсь на двух примерах научной работы кафедры.

Вернуть топке мощность

Вблизи города Шарыпово расположена Берёзовская ГРЭС, на которой эксплуатируются самые мощные в стране угольные энергоблоки мощностью 800 МВт. Это гигантские сооружения: топочные камеры котлов, в которых происходит горение пылеугольного топлива, имеют размеры порядка 24*24*100 м. В проектировании и технологической «доводке» котлов П-67 на Берёзовской ГРЭС принимали участие многие научно-исследовательские институты и машиностроительные заводы. Первый блок ГРЭС был запущен в 1988 г., второй — через три года.

Доцент кафедры Андрей Минаков, аспиранты Анна Шебелева и Дмитрий Гузей проводят измерения на аэродинамическом стенде Саяно-Шушенской ГЭС

Доцент кафедры Андрей Минаков, аспиранты Анна Шебелева и Дмитрий Гузей проводят измерения на аэродинамическом стенде Саяно-Шушенской ГЭС

Уже через несколько лет работы котлов выяснилось, что несмотря на все усилия проектировщиков эксплуатационные характеристики котлов оказались ниже проектных. Основной причиной снижения тепловой эффективности котлов явилось интенсивное шлакование поверхностей нагрева топочной камеры. Поэтому на основании испытаний было предложено понизить рабочую мощность котлов, в результате чего в 2000 г. энергоблоки были перемаркированы с мощности 800 МВт на 700 МВт. При этом перед исследователями была поставлена задача о выводе котлов на номинальную мощность.

Специалистами теплотехнического института (СибВТИ) был выполнен цикл экспериментальных исследований на энергоблоках. Параллельно сотрудниками кафедры теплофизики СФУ и красноярского филиала ИТ СО РАН была разработана специализированная программа для компьютерного моделирования процессов в топках при сжигании пылеугольного топлива.

Рис.1. Результаты моделирования топки котла П-67. Картина течения и температура стенок

Рис.1. Результаты моделирования топки котла П-67. Картина течения и температура стенок

На основе моделирования (рис.1) было установлено, что аэродинамическая структура газовых потоков в топочной камере обладает высокой неравномерностью: крупномасштабный центральный вихрь инициирует вторичные вихри в углах топочной камеры, которые приводят к набросу факела на стенку топки, температура которой начинает повышаться. На этой перегретой поверхности образуются шлаковые отложения. Отложение шлака происходит также около горелок, особенно по нечётным вертикальным рядам. Основная причина этого явления — осаждение мелкой фракции золы, частицы которой вовлекаются в движение вторичными вихрями в углах топочной камеры. Обладая достаточно высокой температурой, они достигают экрана, где и образуют шлаковые отложения. На основе численного моделирования и результатов натурного эксперимента для реконструкции котла был выбран вариант топки с организацией нижнего воздушного дутья и загрузкой нижних ярусов горелок более грубой угольной пылью.

Энергетические блоки Берёзовской ГРЭС были реконструированы. Их дальнейшая эксплуатация показала, что они могут длительное время нести максимальную нагрузку на уровне проектной, т.е. 800 МВт. Также были разработаны предложения по конструкции топочной камеры проектируемого блока № 3, при реализации которых котёл стал удовлетворять современным экологическим требованиям для вновь проектируемых агрегатов.

Разработанное в рамках исследования специализированное программное обеспечение было доведено до уровня коммерческого продукта и в настоящее время используется в исследовательской деятельности ряда научных организаций Москвы, Челябинска, Новосибирска, а также и при обучении студентов и аспирантов профильных специальностей в вузах страны.

Стабилизация турбин

При работе гидротурбин в неоптимальных режимах возникают повышенные уровни вибрации оборудования. Поток, покидающий рабочее колесо турбины, обладает остаточной степенью закрутки, интенсивность которой растёт с отдалением режима от точки оптимума. Закрученный поток в расширяющемся канале подвержен развитию неустойчивости — формированию прецессирующего вихревого ядра. Индуцируемые им низкочастотные пульсации передаются по всему проточному тракту. Величина пульсаций давления может достигать десятка процентов напора электростанции. Для высоконапорных ГЭС это означает огромные динамические нагрузки на конструкции гидроагрегата, создающие опасность их повреж­дения.

Ряд учёных считает, что в августе 2009 г. при неоднократном переходе второго турбинного агрегата Саяно-Шушенской ГЭС через зону частичной нагрузки, не рекомендуемую для эксплуатации, возникали опасные для конструкции вибрации, что в итоге привело к разрушению агрегата и гибели персонала ГЭС.

Для снижения уровня вибраций на вновь проектируемых гидротурбинах разработчиком оборудования — Ленинградским металлическим заводом — были проведены масштабные экспериментальные исследования и натурные наблюдения нестационарных процессов в гидравлических турбинах. Было показано, что наблюдаемые вибрации связаны с прецессирующим вихревым ядром и, как следствие, способы борьбы с пульсациями были направлены на управление этим вихрем. В практических условиях нестационарное поведение потока осложняется взаимодействием процессов различной природы (кавитация, гидроакустика и др.), что существенно затрудняет перенос результатов исследований с экспериментальных стендов на натурные условия.

Рис.2. Прецессирующий вихрь за рабочим колесом гидротурбины

Рис.2. Прецессирующий вихрь за рабочим колесом гидротурбины

С достаточно высокой точностью описывать сложные процессы в гидротурбинах позволяют современные методы математического моделирования. Именно они были применены специалистами кафедры теплофизики СФУ для моделирования течения в проточном тракте Саяно-Шушенской ГЭС (рис. 2.), чтобы получить полные картины течения, а также определить пульсационные и интегральные характеристики для всех режимов работы электростанции.

Результаты численного моделирования показали, что максимальные пульсации наблюдаются на переходных режимах работы (при наборе и сбросе мощности). Когда же турбина выходит на оптимальный режим работы, амплитуда колебаний постепенно снижается практически
до нуля.

Для подавления нестационарных явлений в проточном тракте гидротурбин предлагаются различного рода стабилизирующие конструкции — это и конструктивные элементы (рёбра, крестовины), устанавливаемые в пространстве за рабочим колесом, и другая форма обтекателя рабочего колеса, и устройства для пуска воздуха в пространство под рабочим колесом и т.д. Перебор всех возможных способов непосредственно на работающем гидроагрегате по вполне понятным причинам не представляется возможным. Зато использование математического моделирования позволяет в относительно короткие сроки провести оценку всех вариантов, выбрать наиболее перспективные, подробно их изучить и в конечном итоге выдать конкретные рекомендации.

Во время проведения восстановительных работ на Саяно-Шушенской ГЭС в выпускных трубах турбин были установлены стабилизирующие рёбра. Благодаря этой модификации были значительно снижены вибрации, и эксплуатация гидроагрегатов стала более безопасной.

А.А. ДЕКТЕРЁВ, заведующий кафедрой теплофизики ИИФиРЭ, кандидат техн. наук, с.н.с, руководитель красноярского филиала Института теплофизики СО РАН