alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.13-15.068-079alternative-1388Research ArticleНЕВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКАNONRENEWABLE ENERGYВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ЗАМКНУТОГО ВОДОРОДНОГО ЦИКЛА ГОРЕНИЯHYDROGEN-OXYGEN STEAM GENERATOR FOR A CLOSED HYDROGEN COMBUSTION CYCLEhttps://orcid.org/0000-0003-1549-5133АминовР. З.AminovR. Z.

Рашид Зарифович Аминов - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Саратовского научного центра Российской академии  наук, Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина.

д. 24, ул. Рабочая, Саратов, 410028

Тел.: +7(8452)27-14-36; факс: (8452)27-14-36

Rashid Aminov - D.Sc. in Engineering, Professor, Chief Researcher at Saratov Scientific Center of RAS, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov.

24 Rabochaya St., Saratov, 410028

Tel.: +7(8452)27 14 36; fax: (8452)27 14 36

sncransar@san.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0943-859XЕгоровА. Н.EgorovA. N.

Александр Николаевич Егоров - кандидат технических наук, научный сотрудник Саратовского научного   центра Российской академии наук, Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина.

д. 24, ул. Рабочая, Саратов, 410028

Тел.: +7(8452)27-14-36; факс: (8452)27-14-36

 

Aleksandr Egorov - Ph.D.  in  Engineering,  Researcher  at Saratov Scientific Center of RAS, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov.

24 Rabochaya St., Saratov, 410028

Tel.: +7(8452)27 14 36; fax: (8452)27 14 36

wwwean@gmail.comФГБУН «Саратовский научный центр» Российской академии наукРоссияSaratov Scientific Center of Russian Academy of SciencesRussian Federation201812082018013-156879Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1388

Рассмотрены вопросы сжигания водорода в кислородной среде для получения высокотемпературного пара, который можно задействовать в производстве электроэнергии на различных энергоустановках, в том числе на атомных электростанциях (АЭС). Так, использование водородно-кислородного парогенератора в составе водородного энергетического комплекса позволяет повысить мощность и эффективность АЭС в эксплуатационном режиме за счет пароводородного перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки. Кроме того, в условиях роста доли АЭС водородный энергетический комплекс помогает адаптировать эти станции к переменным графикам электрических нагрузок и развивать экологически чистые технологии производства электроэнергии. Предложено решение проблемы эффективного и безопасного использования энергии водородного топлива на АЭС с водородным энергокомплексом.

Технические решения по  сжиганию водорода в  кислородной среде,  применяющие непосредственный впрыск охлаждающей воды или водяного пара в продукты сгорания, имеют существенный недостаток – эффект «закалки» при впрыске воды или водяного пара, который приводит к снижению эффективности рекомбинации в процессе охлаждения продуктов сгорания, что выражается в увеличении доли неконденсирующихся газов.  В этом случае подача такой смеси в паросиловой цикл небезопасна, так как может привести к опасному росту концентрации несгоревшего водорода в проточной части паротурбинной установки. В статье для решения данной проблемы предложен замкнутый водородный цикл и система водородного перегрева пара на его основе. Проведено исследование замкнутой системы сжигания водорода, которая позволяет полностью исключить попадание водорода в рабочее тело парового цикла и обеспечить полное его окисление за счет некоторого избытка циркулирующего кислорода.

Рассмотрены два типа водородно-кислородных камер сгорания для системы безопасного водородного перегрева пара в цикле АЭС посредством замкнутой системы сжигания водорода в кислородной среде. В результате математического моделирования процессов горения и тепломассообмена определены требуемые параметрические показатели водородно-кислородного парогенератора с учетом температурного режима работы. Определен мощностной ряд водородно-кислородных парогенераторов с предлагаемой конструкцией камеры сгорания.

The paper analyzes the problems of combustion hydrogen in an oxygen medium for produce high-temperature steam that can be used to produce electricity at various power plants. For example, at the nuclear power plants, the use of a H2-O2 steam generator as part of a hydrogen energy complex makes it possible to increase its power and efficiency in the operational mode due to steam-hydrogen overheating of the main working fluid of a steam-turbine plant. In addition, the use of the hydrogen energy complex makes it possible to adapt the nuclear power plants to variable electric load schedules in conditions of increasing the share of nuclear power plants and to develop environmentally friendly technologies for the production of electricity. The paper considers a new solution of the problem of effective and safe use of hydrogen energy at NPPs with a hydrogen energy complex.

Technical solutions for the combustion of hydrogen in the oxygen medium using direct injection of cooling water or steam in the combustion products have a significant drawback – the effect of “quenching” when injecting water or water vapor which leads to a decrease in the efficiency of recombination during cooling of combustion products that is expressed in an increase fraction of non-condensable gases. In this case, the supply of such a mixture to the steam cycle is unsafe, because this can lead to a dangerous increase in the concentration of unburned hydrogen in the flowing part of the steam turbine plant. In order to solve this problem, the authors have proposed a closed hydrogen cycle and a hydrogen vapor overheating system based on it, and carried out a study of a closed hydrogen combustion system which completely eliminates hydrogen from entering the working fluid of the steam cycle and ensures its complete oxidation due to some excess of circulating oxygen.

The paper considers two types of hydrogen-oxygen combustion chambers for the system of safe generating of superheated steam using hydrogen in nuclear power plant cycle by using a closed system for burning hydrogen in an oxygen medium. As a result of mathematical modeling of combustion processes and heat and mass transfer, we have determined the required parameters of a hydrogen-oxygen steam generator taking into account the temperature regime of its operation, and a power range of hydrogen-oxygen steam generators with the proposed combustion chamber design.

водородперегрев параатомная электростанцияводородно-кислородная камера сгораниязамкнутый водородный циклметод конечных элементовANSYShydrogensteam superheatingnuclear power planthydrogen-oxygen combustion chamberclosed hydrogen cyclefinite element methodANSYSРоссийский научный фонд (соглашение № 15-19-10027)Russian Science Foundation (agreement No. 15-19-10027)ReferencesАминов, Р.З. Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электростанциями / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов. – М.: Наука, 2016. – 254 с.Aminov R.Z., Bairamov A.N. Combination of hydrogen energy cycles with nuclear power plants (Kombinirovanie vodorodnykh energeticheskikh tsiklov s atomnymi elektrostantsiyami). Moscow: Nauka Publ., 2016, 254 p. (in Russ.)Aminov, R.Z. Performance evaluation of hydrogen production based on off-peak electric energy of the nuclear power plant / R. Z. Aminov, А. N. Bairamov // International journal of hydrogen energy. – 2017. – Vol. 42. – P. 21617–21625.Aminov R.Z., Bairamov A.N. Performance evaluation of hydrogen production based on off-peak electric energy of the nuclear power plant. International journal of hydrogen energy, 2017;42:21617–21625.Aminov, R.Z. On the issue of investi-gating the kinetics of processes in dissociated water steam / R.Z. Aminov, A.I. Schastlivtsev, А. N. Bairamov // International journal of hydrogen energy. – 2017. – Vol. 42. – P. 20843–20848.Aminov R.Z., Schastlivtsev A.I., Bairamov A.N. On the issue of investigating the kinetics of processes in dissociated water steam. International journal of hydrogen energy, 2017;42:20843–20848.Aminov, R. Emergency cooling system for water-cooled reactors / R. Aminov, A. Egorov, V. Yurin // Conf. Proc. 17 International Multidisciplinary Scientific GeoConference “Energy and Clean Technology”. – Albena. – 2017. – P. 3–10.Aminov R., Egorov A., Yurin V. Emergency cooling system for water-cooled reactors. Conf. Proc. 17 International Multidisciplinary Scientific GeoConference “Energy and Clean Technology”, Albena, 2017, pp. 3–10.Aminov, R.Z. Hydrogen cycle based backup for NPP internal needs during a blackout / R.Z. Aminov, A.N. Egorov, V.E. Yurin // Atomic Energy. – 2013. – Vol. 114. – Iss. 4. – P. 289–292.Aminov R.Z., Egorov A.N., Yurin V.E. Hydrogen cycle based backup for NPP internal needs during a blackout. Atomic Energy, 2013;114(4):289–292.Aminov, R.Z. Multifunctional Backup for NPP Internal Needs / R.Z. Aminov [et al.] // Atomic Energy. – 2017. – Vol. 121. – Iss. 5. – P. 327–333.Aminov R.Z., Egorov A.N., Yurin V.E., V.N. Bessonov Multifunctional Backup for NPP Internal Needs. Atomic Energy, 2017;121(5):327–333.Шпильрайн, Э.Э. Применение водорода в энергетике и в энерготехнологических комплексах / Э.Э. Шпильрайн, Ю.А. Сарумов, О.С. Попель // Атомно-водородная энергетика и технология. – 1982. – Вып. 4. – С. 5–22.Shpilrain E.E., Sarumov Yu.A., Popel O.S. Application of hydrogen in power engineering and in energy technology complexes (Primenenie vodoroda v energetike i v energotekhnologicheskikh kompleksakh). Atomic-hydrogen power engineering and technology, 1982;4:5–22 (in Russ.).Малышенко, С.П. Некоторые термодинамические и технико-экономические аспекты применения водорода как энергоносителя в энергетике / С.П. Малышенко, О.В. Назарова, Ю.А. Сарумов // Атомно-водородная энергетика и технология. – 1986. – Вып. 7. – С. 105–126.Malyshenko S.P., Nazarova O.V., Sarumov Yu.A. Some thermodynamic, technical and economic aspects of the use of hydrogen as an energy carrier in the energy sector (Nekotorye termodinamicheskie i tekhniko-ekonomicheskie aspekty primeneniya vodoroda kak energonositelya v energetike). Atomic-hydrogen power engineering and technology, 1986;7:105–126 (in Russ.).Forsberg, C.W. Nuclear Wind hydrogen systems for variable electricity and hydrogen production [Электронный ресурс] / C.W. Forsberg, G. Haratyk // International Congress on Energy. – 2011. – New York. – Режим доступа: https://www.aiche.org/academy/videos/conference-presentations/nuclear-wind-hydrogen-systems-variable-electricity-and-hydrogen-production – (Дата обращения 18.04.2018).Forsberg C.W., Haratyk G. Nuclear Wind hydrogen systems for variable electricity and hydrogen production, International Congress on Energy, 2011, New York. Available on: https://www.aiche.org/academy/videos/conference-presentations/nuclear-wind-hydrogen-systems-variable-electricity-and-hydrogen-production (04.18.2018).Forsberg, C.W. Is hydrogen the future of nuclear energy / C.W. Forsberg // International topical meeting on the safety and technology of nuclear hydrogen production, control and management. – 2007. – Boston. – Режим доступа: http://www.350.me.uk/TR/Hansen/Forsberg01.pdf – (Дата обращения: 18.04.2018).Forsberg C.W. Is hydrogen the future of nuclear energy, International topical meeting on the safety and technology of nuclear hydrogen production, control and management, 2007, Boston. Available on: http://www.350.me.uk/TR/Hansen/Forsberg01.pdf (04.18.2018).Forsberg, C.W. Hydrogen futures and technologies / C.W. Forsberg // Rohsenow Symposium on Future Trends in Heat Transfer. – 2003. – Massachusetts. – Режим доступа: https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/7303/FORSBERG.pdf?sequence=1 – (Дата обращения: 18.04.2018).Forsberg C.W. Hydrogen futures and technologies, Rohsenow Symposium on Future Trends in Heat Transfer, 2003, Massachusetts. Available on: https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/7303/FORSBERG.pdf?sequence=1 (04.18.2018).Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. – М., 1972. – 720 с.Vargaftik N.B. Handbook of thermophysical properties of gases and liquids (Spravochnik po teplofizicheskim svoistvam gazov i zhidkostei). Moscow, 1972 (in Russ.).Schastlivtsev, A.I. Hydrogen-oxygen steam generator applications for increasing the efficiency, maneuverability and reliability of power production / A.I. Schastlivtsev, V.I. Borzenko // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 891. – P. 012213.Schastlivtsev A.I., Borzenko V.I. Hydrogen-oxygen steam generator applications for increasing the efficiency, maneuverability and reliability of power production. Journal of Physics: Conference Series, 2017;891:012213.Malyshenko, S.P. High-pressure H2/O2 – steam generators and they possible applications / S.P. Malyshenko, A.N. Gryaznov, N.I. Filatov // International Journal of Hydrogen Energy. – 2004. – Vol. 29. – P. 589–596.Malyshenko S.P., Gryaznov A.N., Filatov N.I. High-pressure H2/O2 – steam generators and they possible applications. International Journal of Hydrogen Energy, 2004;29:589–596.Malyshenko, S.P. Effectiveness of steam generation in oxyhydrogen steam generators of the megawatt power class / S.P. Malyshenko [et al.] // High Temperature. – 2012. – Vol. 50. – Iss. 6. – P. 765/773.Malyshenko S.P., Prigozhin V.I., Savich A.R., Schastlivtsev A.I., Il’ichev V.A., Nazarova O.V. Effectiveness of steam generation in oxyhydrogen steam generators of the megawatt power class. High Temperature, 2012;50(6):765–773.Pribaturin, N.A. Experimental investigation on combustion of hydrogen-oxygen and methane–oxygen mixtures in the medium of low-superheated steam / Pribaturin N.A. [et al.] // Thermal Engineering. – 2016. – Vol. 63. – Iss. 5. – P. 336–341.Pribaturin N.A., Alekseev M.V., Bogomolov A.R., Sorokin A.L., Fedorov V.A., Azikhanov S.S., Shevyrev S.A. Experimental investigation on combustion of hydrogen-oxygen and methane–oxygen mixtures in the medium of low-superheated steam. Thermal Engineering, 2016;63(5):336–341.Темам, Р. Уравнения Навье – Стокса. Теория и численный анализ / Р. Темам. – М.: Мир, 1981. – 408 с.Temam R. The Navier-Stokes equations. Theory and numerical analysis (Uravneniya Nav'e-Stoksa. Teoriya i chislennyi analiz). Moscow: Mir Publ., 1981 (in Russ.).Ландау, Л. Д. Гидродинамика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. – М.: Наука, 1988. – 736 с.Landau L.D., Lifshitz E.M. Hydrodynamics (Gidrodinamika). Moscow: Nauka Publ., 1988 (in Russ.).Дульнев, Г.Н. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена / Г.Н. Дульнев, В.Г Парфенов, А.В Сигалов. – М.: Высшая Школа, 1990. – 207 с.Dul'nev. G.N. Parfenov V.G., Sigalov A.V. Application of a computer for solving heat exchange problems (Primenenie EVM dlya resheniya zadach teploobmena). Moscow: Vysshaya Shkola Publ., 1990 (in Russ.).Соловейчик, Ю.Г. Метод конечных элементов для скалярных и векторных задач / Ю.Г. Соловейчик, М.Э. Рояк, М.Г. Персова. – Новосибирск: НГТУ, 2007. – 896 с.Soloveichik Yu.G., Royak M.E., Persova M.G. Finite Element Method for Scalar and Vector Problems (Metod konechnykh elementov dlya skalyarnykh i vektornykh zadach). Novosibirsk: NGTU, 2007 (in Russ.).Патанкар, С. В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах / С. В. Патанкар. – М.: Издательство МЭИ, 2003. – 312 с.Patankar S.V. Numerical solution of the problems of heat conduction and convective heat transfer during flow in canals (Chislennoe reshenie zadach teploprovodnosti i konvektivnogo teploobmena pri techenii v kanalakh). Moscow: Publishing house MPEI, 2003 (in Russ.).D. Anderson, Jr. Computational Fluid Dynamics. The basics with applications. / D. Anderson, Jr. – McGraw-Hill Inc, 1995. – 383 p.Anderson D. Jr. Computational Fluid Dynamics. The basics with applications, McGraw-Hill Inc, 1995, 383 p.Романова, Е.В. Применение пакета ANSYS при исследовании гидравлического сопротивления оребреного рекуператора / Е.В. Романова, А.Н. Колиух, Е.А. Лебедев // Вестник ТГТУ. – 2017. – № 3. – С. 420–427.Romanova E.V., Koliukh A.N., Lebedev E.A. Application of the ANSYS package in the investigation of the hydraulic resistance of the finned recuperator (Primenenie paketa ANSYS pri issledovanii gidravlicheskogo soprotivleniya orebrenogo rekuperatora). Vestnik TGTU, 2017;3:420–427 (in Russ.).Федорова, Н.Н. Основы работы в ANSYS 17 / Н.Н. Федорова [и др.]. – М.: ДМК Пресс, 2017. – 210 с.Fedorova N.N., Val'ger S.A., Danilov M.N., Zakharova Yu.V. Fundamentals of work in ANSYS 17 (Osnovy raboty v ANSYS 17). Moscow: DMK Press Publ., 2017 (in Russ.).Франк-Каменецкий, Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д.А. Франк-Каменецкий – М.: Наука, 1987. – 502 с.Frank-Kamenetskii D.A. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics (Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoi kinetike). M.: Nauka Publ., 1987 (in Russ.).Poinsot, T. Theoretical and Numerical Combustion / T. Poinsot, D. Veynante. – R.T. Edwards Inc., 2012. – 588 p.Poinsot T. Theoretical and Numerical Combustion, R.T. Edwards Inc., 2012:588.Коркодинов, Я.А. Обзор семейства k–ε моделей для моделирования турбулентности / Я.А. Коркодинов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. – М.: Машиностроение, материаловедение. – 2013. – Т. 15. – №. 2. – С. 5–16.Korkodinov Ya.A. An overview of the k-ε turbulence models for simulation (Obzor semeistva k–ε modelei dlya modelirovaniya turbulentnosti). M.: Mashinostroenie, materialovedenie Publ., 2013;15(2):5– 16 (in Russ.).Солнцева, Е.Д. Компьютерное моделирование процесса горения газообразного топлива в горелке ГРС-150 / Е.Д. Солнцева, А.Н. Лошкарев // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве: сборник докладов VI Всероссийской научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (TИМ’2017) с международным участием (Екатеринбург, 11–12 мая 2017 г.). – Екатеринбург: УрФУ. –2017. – С. 124–128.Solntseva, E.D. Computer simulation of the combustion process of gaseous fuel in the GRS-150 burner (Komp'yuternoe modelirovanie protsessa goreniya gazoobraznogo topliva v gorelke GRS-150), Teplotekhnika i informatika v obrazovanii, nauke i proizvodstve: sbornik dokladov VI Vserossiiskoi nauchno prakticheskoi konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh (TIM’2017) s mezhdunarodnym uchastiem. Ekaterinburg, 11–12 May, 2017), 2017:124– 128 (in Russ.).Масленников С.Б. Жаропрочные стали и сплавы: Справочник / С.Б. Масленников. – М.: Металлургия, 1983. – 192 с.Maslennikov S.B. Heat-resistant steels and alloys: Reference book (Zharoprochnye stali i splavy: Spravochnik). M.: Metallurgiya Publ., 1983 (in Russ.).Александренков, В.П. Расчет наружного проточного охлаждения камеры ЖРД. Электронное учебное издание / В.П. Александренков. – М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012.Aleksandrenkov V.P. Calculation of the external flow-through cooling of the liquid rocket engine. Electronic educational edition (Raschet naruzhnogo protochnogo okhlazhdeniya kamery ZhRD. Elektronnoe uchebnoe izdanie), Moscow: MGTU im. N. E. Baumana, 2012 (in Russ.).

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