В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Байдалиной Айнуры Кажиакпаровны на тему «Разработка и исследование малотоксичной микрофакельной горелки с учетом аэродинамики топливовоздушной смеси в огневом пространстве топливосжигающего устройства» по образовательной программе «8D07117 – Теплоэнергетика».
Диссертация выполнена на кафедре «Теплоэнергетики» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на русском
Официальные рецензенты:
Болегенова Салтанат Алихановна – доктор физико-математических наук, профессор, заведующая кафедрой «Теплофизики и технической физики» в Казахском национальном университете имени аль-Фараби, специальность: «01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника» (г. Алматы, Республика Казахстан);
Сарбасов Ербол Кудайбергенович – PhD (по энергетике), ассистент-профессор в Школе инженерии и цифровых наук Назарбаев университета (г. Астана, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
Оспанов Байтас Санитасұлы - кандидат технический наук, главный менеджер Департамента «Генерация и Топливо» АО «Самрук-Энерго», специальность: «05.14.04: Промышленная теплоэнергетика» (г. Астана, Республика Казахстан);
Приходько Евгений Валентинович - кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры «Теплоэнергетика» Торайгыров университета, специальность: «05.14.04: Промышленная теплоэнергетика» (г. Павлодар, Республика Казахстан);
Бальзамов Денис Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергообеспечение предприятий, строительство зданий и сооружений» Казанского государственного энергетического университета, специальность: «05.14.04: Промышленная теплоэнергетика» (г. Казань, Российская Федерация).
Научные консультанты:
Достияров Абай Мухамедиярұлы – доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Теплоэнергетика» Алматинского университета энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева, специальность: «05.14.04: Промышленная теплоэнергетика» (г. Алматы, Республика Казахстан);
Жумагулов Михаил Григорьевич – PhD, ассоциированный профессор, доцент кафедры «Теплоэнергетика» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева, специальность: «6D071700 – Теплоэнергетика» (г. Астана, Республика Казахстан);
Илиев Илия Кръстев – доктор технических наук, профессор, профессор Русенcкого университета имени Ангела Кынчева, специальность: «Промышленная теплотехника» (г. Русе, Болгария).
Защита состоится: 17 мая 2025 года 11:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D071 – Инженерия и инженерное дело» по образовательной программе «8D07117 – Теплоэнергетика» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в смешанном (оффлайн и онлайн) формате.
Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана, 13, ауд. №133.
Аннотация (рус.): Актуальность темы диссертационного исследования. Газовая энергетика играет ключевую роль в обеспечении устойчивого развития мировой экономики. Несмотря на стремительное внедрение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и развитие атомной энергетики, природный газ остаётся важным элементом глобальной энергосистемы. Это обусловлено его высокой гибкостью, сравнительно низкими выбросами углерода, а также возможностью быстрого развертывания газовой инфраструктуры. В отличие от атомных электростанций, строительство которых требует значительных временных и финансовых затрат, газовые установки можно вводить в эксплуатацию значительно быстрее, что делает их привлекательным решением для многих стран. Кроме того, природный газ играет важную роль в переходе к углеродно-нейтральной энергетике, поскольку его использование сопровождается меньшими выбросами по сравнению с углем и нефтью. Рост доли ВИЭ в энергосистеме, таких как солнечная и ветровая генерация, сопровождается нестабильностью их выработки из-за зависимости от погодных условий. В таких условиях газовые электростанции становятся критически важными для поддержания баланса энергосистемы. Они используются в качестве резервных мощностей, оперативно компенсируя снижение генерации ВИЭ и обеспечивая покрытие пиковых нагрузок. Высокая маневренность газовых турбин позволяет им быстро запускаться и останавливаться, что делает их незаменимыми в современной энергетике. В отличие от угольных и атомных станций, которым требуется значительное время для выхода на рабочий режим, газовые установки способны обеспечивать необходимую мощность в кратчайшие сроки, что особенно важно в условиях переменной нагрузки. Одним из ключевых преимуществ природного газа по сравнению с другими видами ископаемого топлива, такими как уголь и нефть, является его экологическая безопасность. Сжигание газа приводит к меньшему количеству выбросов углекислого газа (CO₂) и других вредных веществ, включая оксиды серы и твердые частицы. Это делает его оптимальным выбором на пути к низкоуглеродной энергетике. В условиях глобальной борьбы с изменением климата этот фактор приобретает особую значимость, способствуя постепенному отказу от технологий с высоким уровнем выбросов в пользу более экологичных методов производства электроэнергии. Помимо этого, природный газ можно использовать в сочетании с технологиями улавливания и хранения углерода, что делает его ещё более привлекательным с точки зрения снижения выбросов парниковых газов. Хотя возобновляемые источники энергии считаются перспективным направлением, их внедрение сопряжено с рядом технологических и экономических ограничений. Основной проблемой является необходимость создания мощных систем накопления энергии, которые позволят сглаживать колебания генерации. Однако современные технологии хранения электроэнергии, такие как аккумуляторные батареи, пока не обеспечивают достаточную ёмкость и экономическую эффективность для широкомасштабного применения. В таких условиях газовые электростанции продолжают оставаться надежным решением, позволяя энергосистемам адаптироваться к изменяющимся условиям и обеспечивать стабильное электроснабжение. Атомная энергетика также рассматривается как перспективное направление, поскольку обеспечивает выработку электроэнергии без выбросов углекислого газа. Однако её развитие сдерживается рядом факторов, включая сложность обеспечения безопасности, высокие капитальные и эксплуатационные затраты, а также необходимость долгосрочного хранения радиоактивных отходов. В отличие от атомных станций, газовая генерация требует меньших инвестиций и более короткие сроки строительства новых объектов, что делает её более доступной для большинства стран. Кроме того, газовая энергетика более гибка с точки зрения масштабируемости и может быть адаптирована под различные потребности национальных энергосистем. Еще одним важным фактором, способствующим популярности природного газа, является развитая инфраструктура его добычи, транспортировки и распределения. Системы газопроводов позволяют эффективно передавать топливо на большие расстояния, что делает его использование экономически целесообразным. Газовые электростанции можно быстро вводить в эксплуатацию и интегрировать в существующую энергосистему, адаптируя её под изменяющиеся потребности. Современные технологии позволяют снижать уровень вредных выбросов, что делает газовую генерацию всё более экологичной. Одним из инновационных решений в области снижения вредных выбросов является применение микрофакельных горелок, обеспечивающих более полное и эффективное сжигание топлива. Данная технология способствует сокращению выбросов оксидов азота (NOx) и углекислого газа, что особенно важно в условиях ужесточения экологических стандартов. Улучшение аэродинамики топливовоздушной смеси повышает эффективность процесса сгорания, снижая тепловые потери и уменьшая образование вредных соединений. Кроме того, микрофакельные технологии позволяют снизить концентрацию токсичных компонентов в продуктах сгорания, что делает их перспективным направлением в газотурбинной энергетике. Настоящая диссертация посвящена разработке и исследованию малотоксичной микрофакельной горелки, обеспечивающей экологичное и эффективное сжигание топлива. Особое внимание уделено анализу аэродинамических процессов в зоне горения, поскольку качество смешивания газа с воздухом напрямую влияет как на полноту сгорания, так и на уровень выбросов вредных веществ. Исследование различных режимов работы горелки позволит выявить оптимальные параметры для повышения её эффективности и экологической безопасности. Развитие подобных технологий открывает новые перспективы для повышения экологичности и эффективности работы газотурбинных установок, делая их более конкурентоспособными в условиях современных требований к энергогенерации. Внедрение таких решений позволит не только снизить негативное воздействие на окружающую среду, но и повысить экономическую эффективность газовой энергетики, обеспечивая её стабильность в долгосрочной перспективе. Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка новой малотоксичной микрофакельной горелки и исследование её технико-экономических характеристик с учётом аэродинамики течения топливовоздушной смеси в огневом пространстве камеры сгорания газотурбинной установки. В соответствии с поставленной целью и учитывая широкий спектр направлений для исследования, включающий физические процессы горения, теплообмена и термодинамики, поставлены следующие задачи: - разработать и исследовать конструкцию горелочного устройства для камеры сгорания газотурбинной установки на газообразном топливе; - провести численное моделирование процессов горения, массообмена, а также процессов образования вредных веществ в частности оксидов азота с минимально возможным выбросом монооксида углерода, в микрофакельных устройствах; - провести экспериментальные исследования нового горелочного устройства, изучить влияние различных форм стабилизаторов на процессы образования вредных веществ, стабилизации и эффективности сжигания; - исследовать влияние конструктивных и аэродинамических параметров на стабилизацию процесса горения за микрофакельными устройствами. Объект исследования. Настоящее исследование посвящено исследованию запатентованного двухъярусного микрофакельного горелочного устройства (ДМФГУ), предназначенного для сжигания газообразного топлива в камере сгорания газотурбинной установки. Методы исследования. Для реализации поставленных задач были применены численное моделирование аэродинамики и процессов горения, а также использованы экспериментальные методы исследования процессов горения пропан-бутановой смеси в разработанном двухъярусном микрофакельном горелочном устройстве. Научная новизна. На основании численного моделирования и экспериментальных исследований разработаны принципы создания эффективных топливосжигающих устройств, камеры сгорания газотурбинной установки, основанных на принципе микрофакельного горения. При этом: Выявлен оптимальный вид уголковых стабилизаторов обеспечивающий наименьшие показатели выбросов оксидов азота, <19,2 ppm при высокой полноте сгорания топлива (ηг ≈ 99%) при относительно низких показателях температур уходящих газов (Т≤765 К); Разработаны и запатентованы новые конструктивные схемы микрофакельных горелочных устройств: горелочное устройство КС ГТУ и двухъярусное микрофакельное горелочное устройство, обеспечивающие низкие выбросы токсичных веществ; Аэродинамика течения топливовоздушной смеси исследована с использованием численного моделирования при помощи трёх программных комплексов (Comsol Multiphysics, Flow Simulation, Ansys Fluent); Получены аналитические уравнения полиномов второй степени на основании графиков зависимости коэффициента избытка воздуха от концентраций содержания CO и NOx в уходящих газах. Практическая значимость состоит в разработке и получении: - принципа создания горелочных устройств, обеспечивающих высокие экологические и технические характеристики; - горелочных устройств, использующих принцип микрофакельного сжигания, защищённых авторскими свидетельствами; - монографии на тему: «Малотоксичные камеры сгорания и микрофакельные устройства», включающие в себя литературный анализ и практические навыки численного моделирования, которые могут использоваться в учебном процессе для подготовки инженеров в ВУЗах, а также в целях самообучения. Основные положения, выносимые на защиту: результаты численного моделирования и экспериментальных исследований процессов горения, образования токсичных веществ при использовании нового микрофакельного горелочного устройства; исследование аэродинамики течения воздуха за уголковыми стабилизатора при внезапном расширении с использованием численного моделирования; разработанные конструкции горелочных устройств, работающих по принципу микрофакельного горения, которые имеют высокие экологические и технические показатели. Личный вклад автора состоит: - в анализе и обобщении литературных данных; - в проведении численного моделирования с использованием трёх программных комплексов; - в планировании, организации и проведении экспериментальных исследований, обработке и обобщении результатов; - в разработке новых технических решений. Связь с планом основных научных работ. Диссертационная работа выполнена в рамках научного проекта ГФ №АР14872041 на тему: «Разработка и исследование новых фронтовых устройств камер сгорания ГТУ для повышения экологической безопасности и эффективности работы газотурбинных установок в Казахстане». Результаты исследования выполнены в 11 работах: в том числе в 2 изданиях, рекомендованных комитетом по обеспечению качества в сфере образования и науки министерства образования и науки Республики Казахстан, в журнале «Thermal Science», входящем в базу данных Web of Science, в журналах «Energies», «InnoEE 2023 IOP Conf. Ser.: Earth Environ.», входящих в базу данных Scopus, в 5 международных научно-практических конференциях и форумах, в 2 патентах на изобретение Республики Казахстан, в 1 монографии, написанной в соавторстве. Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 131 страницах компьютерного набора и состоит из введения, четырех разделов (обзор литературы, теоретического исследования, экспериментальный стенд и методы исследования, собственные исследования, обсуждение и анализ резульататов исследования), выводов, заключения, списка использованной литературы, приложения. Работа иллюстрирована 88 рисунками и 14 таблицами. Список использованной литературы составляет 105 наименований. Описание основных результатов исследования. Был проведён подробный литературный и патентный анализ источников. Проанализированы основные причины возникновения вредных выбросов оксидов азота, изучены вариации видов камер сгорания и горелочных устройств ГТУ, также изучен вопрос влияния аэродинамики топливовоздушной смеси на процесс горения; 2. Теоретическими и экспериментальными исследованиями подтверждена эффективность предложенной конструкции с низкой эмиссией токсичных оксидов азота. Численное моделирование выполнено с использованием следующих программных обеспечений: Comsol Multiphysics, SolidWorks Flow Simulation и Ansys Fluent, а именно: на основе численного моделирования Comsol Multiphysics была выбрана форма уголкового стабилизатора (полукруг); при моделировании на SolidWorks Flow Simulation были определены ЗОТ, скоростные и давленческие контуры на выходе из горелочного устройства КС ГТУ; при моделировании на Ansys Fluent были получены данные по процессу горения ТВС; 3. Разработана, реализована в конструкции и комплексно исследована новая малотоксичная микрофакельная горелка для камеры сгорания ГТУ, что подтверждено Патентом на изобретение Республики Казахстан №36479 (Двухъярусное микрофакельное горелочное устройство). А также в ходе исследования был разработан и получен патент на изобретение Республики Казахстан №36226 (Горелочное устройство камеры сгорания ГТУ); 4. В ходе проведённых экспериментальных исследований с использованием имеющихся устройств, были достигнуты начальные параметры воздуха и газа, способствующие выработке следующих мощностей исследованного горелочного устройства: для работы двух ярусов: 277 кВт, для внешнего: 121 кВт, внутреннего: 63 кВт. Эти результаты позволяют отнести данное изобретение к категории маломощных ГТУ, что является значимым для применения в маломасштабных и высокоэффективных энергетических системах. 5. Экспериментальными и теоретическими исследованиями показана возможность применения малотоксичной ДМФГУ, удовлетворяющей нормам по вредным выбросам продуктов сгорания (до 19,2 ppm NOx) при микрофакельном сжигании ТВС (пропано-бутановой смесь и воздух) в широком диапазоне α_в =3,5÷8,2, с содержанием O2 в уходящих газах до 18,4%, при сохранении других характеристик на высоком уровне ɳ_г ≥ 99 %.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://youtu.be/CXPMzvyvTlw
