probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2021-23-2-56-69probener-1780Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGОценка эффективности комбинирования АЭС с водородным комплексом в условиях безопасного использования водорода в паротурбинном циклеEstimation of the efficiency of combining a npp with a hydrogen facility under conditions of safe use of hydrogen in a steam turbine cyclehttps://orcid.org/0000-0003-1549-5133АминовР. З.AminovR. Z.

Аминов Рашид Зарифович – д-р. техн. наук, руководитель Отдела энергетических проблем

Саратов

Aminov Rashid Zarifovich

Saratov

oepran@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1573-0578БайрамовА. Н.BairamovA. N.

Байрамов Артем Николаевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник

Саратов

Bairamov Artem Nikolaevich

Saratov

oepran@inbox.ruСаратовский научный центр РАН Отдел энергетических проблемРоссияSaratov Scientific Center RAS Department of Energy ProblemsRussian Federation2021190520212325669Copyright © Аминов Р.З., Байрамов А.Н., 20212021Аминов Р.З., Байрамов А.Н.Aminov R.Z., Bairamov A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/1780

ЦЕЛЬ. Выполнить оценку системной эффективности и конкурентоспособности новой схемы комбинирования АЭС с водородным комплексом на основе дополнительного подогрева питательной воды и перегрева свежего пара перед цилиндром высокого давления паровой турбины. МЕТОДЫ. При разработке и обосновании новой схемы комбинирования АЭС с водородным комплексом применялись основные законы термодинамики; теоретические положения теплотехники; основные закономерности по усталостному износу энергетического оборудования и оценке его рабочего ресурса; основные положения по оценке эксплуатационных затрат и чистого дисконтированного дохода (ЧДД). РЕЗУЛЬТАТЫ. Представлена новая принципиальная схема комбинирования АЭС с водородным комплексом и описание её принципа действия на примере двухконтурной АЭС с реактором ВВЭР-1000 и турбиной К-1000-60/1500. Приведены данные об увеличении производительность парогенераторов АЭС при дополнительном подогреве питательной воды в диапазоне 235-250 С от её номинального значения 230 °С. В зависимости от температуры дополнительного подогрева питательной воды оценена температура перегрева свежего пара. Приведены результаты расчёта температуры пара, полученного при сжигании водорода в кислородной среде в зависимости от температуры дополнительного подогрева питательной воды. Приведены результаты расчёта вырабатываемой пиковой мощности энергоблоком и эффективности конверсии провальной ночной внепиковой электроэнергии АЭС в пиковую электроэнергию, а также КПД энергоблока АЭС в зависимости от температуры дополнительного подогрева питательной воды. Приведены методические положения по учёту усталостного износа основного оборудования водородного комплекса, в том числе ротора турбины АЭС в условиях напряжённо-циклического режима работы. Приведены результаты оценки себестоимости пиковой электроэнергии и ЧДД АЭС в комбинировании с водородным комплексом по сравнению с гидроаккумулирующей электростанцией (ГАЭС) как на текущий период, так и на перспективу до 2035г. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Эффективность и конкурентоспособность водородного комплекса существенно зависит от интенсивности использования основного оборудования в условиях напряжённо-циклического режима работы. В перспективе конкурентоспособность водородного комплекса заметно возрастает по сравнению с ГАЭС. При подогреве питательной воды до 235 С перегрев свежего пара перед цилиндром высокого давления турбины К-1000-60/1500 может составить до 470 С, что приводит к наибольшему значению КПД энергоблока АЭС и ЧДД. На текущий период водородный комплекс конкурирует с ГАЭС при её удельных капиталовложениях на уровне 660 долл./кВт при условии использования форсировочных возможностей турбины при перегреве свежего пара на уровне 300 С и дополнительном подогреве питательной воды до 235 С. Вариант ГАЭС при удельных капиталовложениях 1500 долл./кВт и выше не конкурирует с водородным комплексом как на текущий период, так и в перспективе.

THE PURPOSE. System efficiency and competitiveness assess of a new scheme for combining a nuclear power plant with a hydrogen complex based on additional heating of feed water and superheating of live steam in front of the high-pressure cylinder of a steam turbine. METHODS. Basic laws of thermodynamics were applied when developing and substantiating a new scheme for combining a nuclear power plants (NPP) with a hydrogen facility; theoretical regularities were applied of heat engineering; basic regularity were applied of fatigue wear of power equipment and assessment of its working resourse; basic regularities were applied for the assessment of operating costs and net present value (NPV). RESULTS. A new scheme is presented of the combination of a nuclear power plant with a hydrogen facility and a description of its operating principle on the example of a two-circuit nuclear power plant with a VVER-1000 reactor and a C-1000-60 / 1500 turbine. The data are presented on an increase in the productivity of steam generators at nuclear power plants with additional heating of feed water in the range of 235-250 ° C from its nominal value of 230 ° C. The temperature was estimated of live steam superheat depending on the temperature of the additional heating of the feed water. The results are presented of the calculation of the generated peak power by the power unit and the efficiency of conversion of the night off-peak power of the NPP into peak power, as well as the efficiency of the power unit of the NPP depending on the temperature of additional heating of the feed water. Main regularities are given for taking into account the fatigue wear of the main equipment of the hydrogen facility, including the rotor of the NPP turbine in the conditions of the stress-cyclic operation. The results are presented of assessing the cost of peak electricity NPP in combination with a hydrogen facility in comparison with a pumped storage power plant (PSPP) both for the current period and for the future until 2035. CONCLUSION. Hydrogen facility efficiency and competitiveness depends significantly on the intensity of the use of the main equipment in the conditions of the intense-cyclic operation. The hydrogen facility will competitiveness noticeably increase in comparison with the PSPP in the future. Efficiency of the NPP power unit and NPV is highest when the feed water is heated to 235 ° C and superheating of live steam in front of the high-pressure cylinder of the C-1000-60/1500 turbine up to 470°C.The hydrogen facility competes with the PSPP with her specific capital investment at the level of 660 USD / kW, provided that the boosting capabilities of the turbine are used with live steam overheating at 300 ° C and additional heating of feed water to 235°C on the current period. The PSPP does not compete with the hydrogen facility both for the current period and in the future with her specific capital investment of $ 1,500 / kW and above.

водородный комплексАЭСГАЭСсистемная эффективностьусталостный износhydrogen facilityNPPPSPPsystemic efficiencyfatigue wearReferencesЭнергетическая стратегия России на период до 2035г / Правительство Российской федерации. Москва, 2020г.79с.Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2035g. Pravitel'stvo Rossijskoj federacii. Moskva. 2020.79p.Головин Р.А. Стратегия деятельности Госкорпорации «Росатом». М.2018Golovin RA. Strategiya deyatel'nosti Goskorporacii «Rosatom». M.:2018.Аминов Р.З., Байрамов А. Н. Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электростанциями. М.: Наука, 2016. 254с.Aminov RZ, Bajramov AN. Kombinirovanie vodorodnyh energeticheskih ciklov s atomnymi elektrostanciyami. M.: Nauka, 2016. 254p.Аминов Р.З., Юрин В.Е., Егоров А.Н. Комбинирование АЭС с многофункциональными энергетическими установками. М.: Наука, 2018. 238с.Aminov RZ, Yurin VE, Egorov AN. Kombinirovanie AES s mnogofunkcional'nymi energeticheskimi ustanovkami. M.: Nauka. 2018. 238p.Байрамов А.Н., Киричков В.С. Обоснование компоновочных решений комбинирования АЭС с водородным энергетическим комплексом по критерию минимального риска // Труды Академэнерго. 2018. №1. С.57-71.Bajramov AN, Kirichkov VS. Obosnovanie komponovochnyh reshenij kombinirovaniya AES s vodorodnym energeticheskim kompleksom po kriteriyu minimal'nogo riska. Trudy Akademenergo. 2018;1:57-71.Аминов Р.З., Байрамов А.Н. Система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции. Патент РФ№2427048. 20.08.2011, Бюл. № 23. Доступно по: https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet.Ссылка активна на 12 января 2021.Aminov RZ, Bajramov AN. Sistema szhiganiya vodoroda dlya paro-vodorodnogo peregreva svezhego para v cikle atomnoj elektricheskoj stancii. Patent RF №2427048. 20.08.2011, Byul. № 23. Dostupno po: https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet. Ssylka aktivna na 12 yanvarya 2021.Аминов Р.З., Счастливцев, Байрамов А.Н. Экспериментальная оценка доли непрореагировавшего водорода при сжигании в среде кислорода // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2020. №7-18(330-341). С. 68-79.Aminov RZ, Schastlivcev, Bajramov AN. Eksperimental'naya ocenka doli neproreagirovavshego vodoroda pri szhiganii v srede kisloroda. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. 2020;7-18(330-341):68-79.Aminov R.Z., Schastlivtsev A.I and Bayramov A.N. Experimental Evaluation of the Composition of the Steam Generated during Hydrogen Combustion in Oxygen // High Temperature. 2020. V. 58. N. 3. pp. 410-416.Aminov RZ, Schastlivtsev AI and Bayramov AN. Experimental Evaluation of the Composition of the Steam Generated during Hydrogen Combustion in Oxygen. High Temperature. 2020;58(3):410-416. doi: 10.1134/S0018151X20030013.Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Егоров А.Н. Турбинная установка атомной электростанции (варианты). Патент РФ № 2459293. 20.08.2012, Бюл. № 23. Доступно по: https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet. Ссылка активна на 12 января 2021Aminov RZ, Bajramov AN, Egorov AN. Turbinnaya ustanovka atomnoj elektrostancii (varianty). Patent RF № 2459293. 20.08.2012, Byul. № 23. Dostupno po: https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet. Ssylka aktivna na 12 yanvarya 2021.Аминов Р.З., Егоров А.Н. Разработка дифференциальных уравнений выработки энергии при дополнительном подводе тепла во влажно-паровых циклах АЭС // Вестник СГТУ. 2011. №1(54). С. 18-25.Aminov RZ, Egorov AN. Razrabotka differencial'nyh uravnenij vyrabotki energii pri dopolnitel'nom podvode tepla vo vlazhno-parovyh ciklah AES. Vestnik SGTU. 2011;1(54):18–25.Егоров А.Н., Юрин В.Е. Сравнительная оценка эффективности АЭС с использованием сателлитной турбины // Вестник СГТУ. 2012. №4. С. 145-149Egorov AN, Yurin VE. Sravnitel'naya ocenka effektivnosti AES s ispol'zovaniem satellitnoj turbiny. Vestnik SGTU. 2012;4:145–149.Аминов Р.З., Егоров А.Н. Методика оценки термодинамической эффективности дополнительного подвода тепла во влажно-паровых циклах АЭС // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2011. №11-12. С. 20-29.Aminov RZ, Egorov AN. Metodika ocenki termodinamicheskoj effektivnosti dopolnitel'nogo podvoda tepla vo vlazhno-parovyh ciklah AES. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Problemy energetiki. 2011;11–12:20–29.Аминов Р.З., Егоров А.Н., Юрин В.Е. Резервирование собственных нужд АЭС в условиях полного обесточивания на основе водородного цикла // Атомная энергия.2013. №4 (114). С. 234-236.Aminov RZ, Egorov AN, Yurin VE. Rezervirovanie sobstvennyh nuzhd AES v usloviyah polnogo obestochivaniya na osnove vodorodnogo cikla. Atomnaya energiya. 2013;4 (114):234-236.Bairamov A.N .Evaluation of the operating resource of the most loaded rotor element of the additional steam turbine with steam-hydrogen overheat of the working fluid at a nuclear power station // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V.891. 012252. P.1-9.Bairamov AN. Evaluation of the operating resource of the most loaded rotor element of the additional steam turbine with steam-hydrogen overheat of the working fluid at a nuclear power station. Journal of Physics: Conference Series. 2017;891:012252:1-9. doi :10.1088/1742-6596/891/1/012252.Байрамов А.Н., Аминов Р.З. Система безопасного использования водорода при повышении мощности АЭС выше номинальной. Патент РФ № 2736603.Опубл. 19.11.2020. Бюл. № 32. Доступно по: https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet. Ссылка активна на 12 января 2021.Bajramov AN, Aminov RZ. Sistema bezopasnogo ispol'zovaniya vodoroda pri povyshenii moshchnosti AES vyshe nominal'noj. Patent RF № 2736603. Opubl. 19.11.2020. Byul. № 32. Dostupno po: https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet. Ssylka aktivna na 12 yanvarya 2021.Тарасов О.В., Киселев А.Е., Филиппов А.С. И др. Разработка и верификация модели рекомбинаторов РВК-500, -1000 для моделирования защитной оболочки АЭС с ВВЭР методами вычислительной гидродинамики // Атомная энергия. 2016. Т.121. № 3. С.131-136.Tarasov OV, Kiselev AE, Filippov AS. I dr. Razrabotka i verifikaciya modeli rekombinatorov RVK-500, -1000 dlya modelirovaniya zashchitnoj obolochki AES s VVER metodami vychislitel'noj gidrodinamiki. Atomnaya energiya. 2016;3(121):131-136.Аминов Р.З., Байрамов А.Н. Оценка системной эффективности водородного комплекса на основе замкнутого водородного цикла // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2019. №22-27.С.42-52.Aminov RZ, Bajramov AN. Ocenka sistemnoj effektivnosti vodorodnogo kompleksa na osnove zamknutogo vodorodnogo cikla. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. 2019;22-27:42-52.Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. М.: Наука, 1972.Vargaftik N.B. Spravochnik po teplofizicheskim svojstvam gazov i zhidkostej / Vargaftik N.B. M.: Nauka, 1972.Байрамов А. Н. Системный анализ напряжённо-циклического режима работы основного оборудования водородного энергетического комплекса в комбинировании с АЭС // Труды академэнерго. 2017. №1. С.71-96Bajramov AN. Sistemnyj analiz napryazhyonno-ciklicheskogo rezhima raboty osnovnogo oborudovaniya vodorodnogo energeticheskogo kompleksa v kombinirovanii s AES. Trudy akademenergo. 2017;1:71-96.Bairamov A.N. Life cycle assessment of hydrogen energy facility by criterion for maximum load frequency // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. pp. 5696-5703Bairamov AN. Life cycle assessment of hydrogen energy facility by criterion for maximum load frequency. International Journal of Hydrogen Energy. 2019:5696-5703. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.01.008.Bairamov A.N. Efficiency Assessment of Hydrogen Production Systems under Fatigue Wear Conditions // Journal of Physics: Conference Series. 1683 (2020). 042009.Bairamov AN. Efficiency Assessment of Hydrogen Production Systems under Fatigue Wear Conditions. Journal of Physics: Conference Series. 2020;1683. 042009. doi:10.1088/1742-6596/1683/4/042009.Машиностроение: энциклопедия по машиностроению / Ред. совет: К. В. Фролов и др. Т.II-1.М.:Машиностроение, 2010. 852с.Mekhanika razrusheniya i prochnost' materialov: spravochnoe posobie. Pod obshch.red. VV. Panasyuka. Kiev: Nauk. dumka, 1990;4:680.Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусекнов А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. М.: Машиностроение, 1985. 223с.Mashinostroenie: enciklopediya po mashinostroeniyu. Red. sovet: K.V.Frolov i dr.T.II-1. M.:Mashinostroenie, 2010. 852p.Павлов П.А. Основы инженерных расчетов элементов машин на усталость и длительную прочность. Л.:1988, 252с.Kogaev VP, Mahutov NA, Guseknov AP. Raschety detalej mashin i konstrukcij na prochnost' i dolgovechnost'. M.: Mashinostroenie, 1985. 223pТрощенко В.Т., Покровский В. В., Прокопенко А.В. Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении. Киев: Наукова думка, 1987. 256с.Pavlov PA. Osnovy inzhenernyh raschetov elementov mashin na ustalost' i dlitel'nuyu prochnost'. L.:1988, 252p.Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640с.Troshchenko VT, Pokrovskij VV, Prokopenko AV. Treshchinostojkost' metallov pri ciklicheskom nagruzhenii. Kiev: Naukova dumka, 1987. 256p.Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры / Под редакцией Н.Н. Логинова Л.: Машиностроение, 1970. 752с.Cherepanov GP. Mekhanika hrupkogo razrusheniya. M.: Nauka, 1974. 640p.Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 476с.Lashchinskij AA, Tolchinskij AR. Osnovy konstruirovaniya i rascheta himicheskoj apparatury. Pod redakciej Loginova NN. L.: Mashinostroenie, 1970. 752p.Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Гариевский М.В. Оценка системной эффективности атомно-водородного энергетического комплекса // Теплоэнергетика. 2019. №3. С.57-71Kostyuk AG. Dinamika i prochnost' turbomashin. 3-e izd. pererab. i dop. M.: Izdatel'skij dom MEI, 2007. 476p.Аминов Р.З., Шкрет А.Ф., Гариевский М.В. Тепловые и атомные электростанции: конкурентоспособность в новых экономических условиях // Теплоэнергетика. 2017. № 5. С. 5–15.Aminov RZ, Bajramov AN, Garievskij MV. Ocenka sistemnoj effektivnosti atomnovodorodnogo energeticheskogo kompleksa. Thermal Engineering. 2019;3:57-71.Макаров А.А., Веселов Ф.В., Макарова А.С. и др. Стратегические перспективы электроэнергетики России // Теплоэнергетика. 2017. № 11. С. 40-52.Aminov RZ, Shkret AF, Garievskij MV. Teplovye i atomnye elektrostancii: konkurentosposobnost' v novyh ekonomicheskih usloviyah. Thermal Engineering. 201;5:5–15.Makarov AA, Veselov FV, Makarova AS. i dr. Strategicheskie perspektivy elektroenergetiki Rossii. Thermal Engineering. 2017;11:40-52.Makarov AA, Veselov FV, Makarova AS. i dr. Strategicheskie perspektivy elektroenergetiki Rossii. Thermal Engineering. 2017;11:40-52.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.