alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2020.07-18.68-79alternative-1925Research ArticleII. НЕВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА 9. Атомная энергетикаЭкспериментальная оценка доли непрореагировавшего водорода при сжигании в среде кислородаExperimental Estimate of the Unreacted Hydrogen Proportion when Burned in Oxygenhttps://orcid.org/0000-0003-1549-5133АминовР. З.AminovR. Z.

Рашид Зарифович Аминов,  д-р техн. наук, главный научный сотрудник

Scopus Author ID: 7006689108

Research ID: O-3305-2014 

офис № 13, д. 77, ул. Политехническая, Саратов, 410054, Россия 

 Rashid Aminov, D.Sc. in Engineering, Professor

Scopus Author ID: 7006689108

Research ID: O-3305-2014 

of. 13, 77 Polytehnicheskaya Str., Saratov, 410054, Russia 

https://orcid.org/0000-0003-1573-0578СчастливцевА. И.SchastlivtsevA. I.

Алексей Иванович  Счастливцев, канд. техн. наук, старший научный сотрудник

Scopus Author ID: 35224451800 

стр. 2, д. 13, ул. Ижорская, Москва, 125412, Россия 

Alexey Schastlivtsev, Ph.D. in Engineering

Scopus Author ID: 36773660300 

13/2 Izhorskaya Str., Moscow, 125412, Russia 

https://orcid.org/0000-0003-1573-0578БайрамовА. Н.BairamovA. N.

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

Scopus Author ID: 35224451800 

офис № 13, д. 77, ул. Политехническая, Саратов, 410054, Россия  

Artem Bairamov, Ph.D. in Engineering

Scopus Author ID: 35224451800 

of. 13, 77 Polytehnicheskaya Str., Saratov, 410054, Russia 

ФГБУН Саратовский научный центр РАН, Отдел энергетических проблем СНЦ РАНРоссияFederal State Budgetary Institution of Science Saratov Scientific Center of the Russian Academy of SciencesRussian FederationФГБУН Объединенный институт высоких температур РАНRussian FederationJoin institute for high temperatures of the RASRussian Federation20201908202007-186879Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20202020Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1925

Использование водорода как энергоносителя в энергетике связано с возможностью повышения эффективности генерирующих мощностей, в частности АЭС, за счет перегрева рабочего тела паротурбинного цикла. При этом полученный от сжигания водорода с кислородом высокотемпературный пар смешивается с паром паротурбинного цикла АЭС. В этой связи в статье, с учетом работ других авторов, выполнен широкий круг исследований по повышению эффективности и конкурентоспособности АЭС благодаря паро-водородному перегреву рабочего тела паротурбинного цикла в условиях получения водорода электролизом воды за счет дешевой ночной электроэнергии от АЭС. При этом важную роль играют вопросы эффективного сжигания водорода с кислородом. Впервые исследуется состав получаемого пара без смешения с охлаждающим компонентом. Представлены экспериментальные данные по изучению доли непрореагировавшего водорода при его сжигании с кислородом без смешения получаемого пара с охлаждающим компонентом – паром или водой. Приведена схема экспериментальной установки, разработанной совместно с ОИВТ РАН, позволяющая производить отбор пара на химический анализ посредством хроматографа. Приведены результаты экспериментальных измерений основных параметров процесса сжигания водорода в кислороде при стехиометрическом расходе водорода и кислорода, а также при избытке кислорода, равном 2. Расчетно-теоретическим путем определена температура получаемого пара по длине жаровой трубы экспериментальной установки, в том числе в точке зажигания. За счет химического анализа пара определена доля непрореагировавшего водорода на начальном этапе горения водорода. Показано влияние избытка окислителя на начальное и конечное содержание непрореагировавшего водорода в паре. Представлена методика определения времени движения пара внутри жаровой трубы экспериментальной установки.

The use of hydrogen as an energy carrier in the energy sector is associated with the possibility of increasing the efficiency of generating capacities, in particular nuclear power plants, through the overheating of the steam of a steam-turbine cycle. In this case, the high-temperature steam obtained from the combustion of hydrogen with oxygen is mixed with the steam of the steam turbine cycle. Taking into account the works of the other authors, this paper performs a wide range of studies to increase the efficiency and competitiveness of nuclear power plants due to steamhydrogen overheating of the steam of the steam-turbine cycle under conditions of hydrogen production by electrolysis of water due to inexpensive night-time electricity from the NPP. An important role is played by the efficient burning of hydrogen with oxygen. In this regard, the paper for the first time studies the composition of the resulting steam without using mixing with a cooling component. The paper presents experimental data on the unreacted hydrogen proportion during its combustion with oxygen without mixing the resulting steam with a cooling component – steam or water. Moreover, the paper presents the experimental setup developed together with the United Institute for High Temperatures of RAS and allowing the selection of steam for chemical analysis by means of a chromatograph. The results of experimental measurements of the main parameters of the process of burning hydrogen in oxygen with a stoichiometric flow of hydrogen and oxygen, as well as with an excess of oxygen equal to 2, are presented. The theoretical calculation method defines the temperature of the resulting steam along the length of the flame tube of the experimental setup, including at the ignition point. Due to chemical analysis of steam, the unreacted hydrogen proportion at the initial stage of hydrogen combustion is determined. The effect of an excess of oxidizing agent on the initial and final content of unreacted hydrogen in the vapor is shown. The methodology of determining the time of steam movement inside the flame tube of the experimental setup is presented. In this regard, the paper for the first time studies the composition of the resulting steam without using mixing with a cooling component.

водородАЭСэкспериментальная установканедожог водородастехиометрическое горениехимический анализ паратемпература горенияhydrogenNPPexperimental planthydrogen underburningstoichiometric combustionchemical analysis of steamcombustion temperatureReferencesМитрова Т., Водородная экономика – путь к низкоуглеродному развитию / Т. Митрова, Ю. Мельников, Д. Чугунов. – Сколково (Московская школа управления), 2019. – 62 с.Mitrova T., MelnikovYu., Chugunov D. Hydrogen economy – the path to low-carbon development (Vodorodnaya ekonomika – put' k nizkouglerodnomu razvitiyu). Skolkovo (Moskovskaya shkola upravleniya), 2019; 62 p. (in Russ.).Везироглу, Т.Н. Энергетическая система на основе термоядерного синтеза водорода / Т.Н. Везироглу // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2017. – № 16–18. – С. 16–29.Veziroglu T.N. Energy system based on thermonuclear hydrogen synthesis. International Scientific Journal of Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2017;(16–18):16–29.Новотны, Я. На пути к устойчивой энергетике: использование атомной энергии для производства водорода / Я. Новотны [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2017. – № 22–24. – С. 63–82.Novotny Y. et al. On the way to sustainable energy: the use of atomic energy for hydrogen production. International Scientific Journal of Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2017;(22–24):63–82., Д.О’М. Оценка стоимости водорода как носителя ветровой и солнечной энергии / О’М. Бокрис, Т. Н. Везироглу // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2018. – № 10–12. – С. 34–42Bokris D. O’M, Veziroglu T. N. Estimation of the cost of hydrogen as a carrier of wind and solar energy, International Scientific Journal of Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2018;(10–12):34–42.Скотт, Д.С. Почему водород? Потому что без водорода мы не сможем избежать климатической катастрофы / Д.С. Скотт // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2018. – № 19–21. – С. 34–39.Scott D. S. Why hydrogen? Because without hydrogen we cannot escape a climate catastrophe. International Scientific Journal of Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2018;(19–21):34–49.Везироглу, Т.Н. Энергетика XXI века: водородная энергетическая система / Т.Н. Везироглу, С. Шахин // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2019. – №4–6. – С. 14–27.Veziroglu T. N., Sahin S. Energy of the 21st century: hydrogen energy system. International Scientific Journal of Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2019;(4–6):14–27.Жизнин, С.З. Экономические аспекты развития ядерно-водородной энергетики в мире и в России / С.З. Жизнин, В.М. Тимохов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2020. – № 1–6. – С. 40–59.Zhiznin S. Z., Timokhov V. M. Economic aspects of the development of nuclear-hydrogen energy in the world and in Russia. International Scientific Journal of Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2020;(1–6):40–59.Аминов 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.).Аминов, Р.З. Комбинирование АЭС с многофункциональными энергетическими установками / Р.З. Аминов, В.Е. Юрин, А.Н. Егоров. – М.: Наука, 2018. – 238 с.Aminov R. Z..Yurin V. E..Egorov A. N. Combining NPPs with multifunctional power plants (Kombinirovaniye AES s mnogofunktsionalnym i energeticheskimi ustanovkami). Moscow: Nauka Publ., 2018; 238 p. (in Russ.).Aminov, R.Z. Hydrogen oxygen steam generator for a closed hydrogen combustion cycle / R.Z. Aminov, A.N. Egorov // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Vol. 44. – No. 21. — P. 11161–11167.Aminov R.Z., Egorov A.N. Hydrogenoxygen steam generator for a closed hydrogen combustion cycle. International Journal of Hydrogen Energy, 2019;44(21):11161–11167.Аминов, Р.З. Оценка системной эффективности водородного комплекса на основе замкнутого водородного цикла наАЭС / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2019. – № 22–27. – С. 42–52.Aminov RZ, Bairamov A. N. Assessment of the systemic efficiency of the hydrogen complex based on the closed hydrogen cycle at nuclear power plants. International Journal of Hydrogen Energy, 2019;(22–27):42–52.Aminov, R.Z. Estimating the system efficiency of the multifunctional hydrogen complex at nuclear power plant / R.Z. Aminov, A.N. Bairamov, M.V. Garievskii // International journal of hydrogen energy.– 2020. – Vol. 45. – P. 14614–14624.Aminov R. Z., Bairamov A. N., Garievskii M.V. Estimating the system efficiency of the multifunctional hydrogen complex at nuclear power plant. International Journal of Hydrogen Energy 2020;(45):14614–14624.Bairamov, A.N. Life cycle assessment of hydrogen energy facility by criterion for maximum load frequency / A.N. Bairamov // International journal of hydrogen energy. – 2019. – Vol. 44. – P. 5696–5703.Bairamov A. N. Life cycle assessment of hydrogen energy facility by criterion for maximum load frequency, International Journal of Hydrogen Energy, 2019;(44):5696–5703.Аминов, Р. З. Эффективность сжигания водорода с избытком окислителя в замкнутом водородном цикле на АЭС / Р.З. Аминов, А.Н. Егоров // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2019. – № 22–27. – С. 53–63.Aminov R.Z., Egorov A.N. Efficiency of burning hydrogen with excess oxidizer in a closed hydrogen cycle at nuclear power plants. International Scientific Journal of Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2019;(22–27):53–63.Locatelli, G. Load following of Small Modular Reactors (SMR) by cogeneration of hydrogen: A technoeconomic analysis / G. Locatelli [et al.] // Energy. – 2018. – Vol. 148. – C. 494–505.Locatelli G., Boarin S., Fiordaliso A., Ricotti M.E. Load following of Small Modular Reactors (SMR) by cogeneration of hydrogen: A techno-economic analysis. Energy, 2018;148:494–505.Locatelli G. Cogeneration: An option to facilitate load following in Small Modular Reactors / G. Locatelli [et al.] // Progress in Nuclear Energy. – 2017. – Vol. 97. – P. 153–161.Locatelli G., Fiordaliso A., Boarin S., Ricotti M.E. Cogeneration: An option to facilitate load following in Small Modular Reactors. Progressin Nuclear Energy, 2017;97:153–161.Шапиро, В.И. Повышение маневренности ПГУ при использовании водородно-кислородных парогенераторов / В.И. Шапиро, С.П. Малышенко, Б.Ф. Реутов // Теплоэнергетика. – 2011. – № 9. – С. 35–40.Shapiro V.I. Increased maneuverability of CCGT when using hydrogen-oxygen steam generators (Povyshenie manevrennosti PGU pri ispol'zovanii vodorodno-kislorodnykh parogeneratorov). Teploenergetika, 2011;(9):35–40 (in Russ.).Пат. 2427048 РФ, МПК7 F 22B 1/26, G 21D5/16, F 01K3/18. Система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции / Аминов Р.З, Байрамов А.Н.; заявители и патентообладатели Аминов Р.З, Байрамов А.Н. – № 2009117039/06; заявл. 04.05.2009; опубл. 20.08.2011, Бюл. № 23. – 8 с.: ил.Patent 2427048 RUHydrogen combustion system for steam-hydrogen overheating of fresh steam in the cycle of a nuclear power plant. (Sistema szhiganiya vodoroda dlya paro-vodorodnogo peregreva svezhego para v tsikle atomnoi elektricheskoi stantsii), 2011 (in Russ.).Пат. 2488903 РФ,МПК7G21D5/16 (2006.01). Система сжигания водорода в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара / Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Юрин В.Е.; заявители и патентообладатели Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Юрин В.Е. – № 2012118303/07; заявл. 03.05.12 ;опубл. 27.07.13, Бюл. № 21. – 17 с.: ил.Aminov R.Z., Bairamov A. N. Patent 2488903 RU Hydrogen combustion system in a nuclear power plant cycle with temperature regulation of hydrogen-oxygen steam. (Sistema szhiganiya vodoroda v tsikle AES s regulirovaniem temperatury vodorod-kislorodnogo para), 2013(in Russ.).Пат. 2459293 РФ, МПК7, G 21D1/00. Турбинная установка атомной электростанции (варианты) / Аминов Р.З, Байрамов А.Н., Егоров А.Н.; заявители и патентообладатели Аминов Р.З, Байрамов А.Н., Егоров А.Н. – № 2011123255/07; заявл. 08.06.2011; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23. – 10 с.: ил.Aminov R.Z., Bairamov A. N., Egorov A. N.Patent 2459293 RU Turbine plant of a nuclear power plant (options). (Turbinnaya ustanovka atomnoi elektrostantsii (varianty)), 2012 (in Russ.).Haidn, O.J. Improved combustion efficiency of a H2/O2 steam generator for spinning reserve application / O.. Haidn, [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 1998. – Vol. 23. – Iss. 6. – Р. 491–497.Haidn O. J., Frohlke K., Carl J., Weingartner S. Improved combustion efficiency of a H2/O2 steam generator for spinning reserve application. International Journal of Hydrogen Energy, 1998;23(6):491–497.Малышенко С.П. Эффективность генерации пара в водородно-кислородных парогенераторах мегаваттного класса мощности / С.П. Малышенко [и др.] // Теплофизика высоких температур. – 2012. – T. 50. – № 6. – С. 820–829.Malyshenko S.P., Prigozhin V.I., Savich A.R., Schastlivcev A.I., Il'ichev V.A., Nazarova O.V. Steam generation efficiency in hydrogen-oxygen steam generators of megawatt power class (Effektivnost' generatsii para v vodorodno-kislorodnykh parogeneratorakh megavattnogo klassa moshchnosti). Teplofizika vysokih temperatur, 2012;50(6):820–829.Aminov, R.Z. On the issue of investigating the kinetics of processes in dissociated water steam / R.Z. Aminov, A.I. Schastlivtsev, A.N. Bairamov // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – No. 32. – 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(32):20843–20848.Schastlivtsev, A. Experimental study of the processes in hydrogen-oxygen gas generator / A. Schastlivtsev, D. Dunikov, V. Borzenko // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Vol. 44. – No. 18. – P. 9450–9455.Schastlivtsev A., Dunikov D., Borzenko V. Experimental study of the processes in hydrogen-oxygen gas generator. International Journal of Hydrogen Energy, 2019;44(18):9450–9455.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. – No. 1. – P. 012213.Schastlivtsev A.I., Borzenko V.I. Hydrogenoxygen steam generator applications for increasing the efficiency, maneuverability and reliability of power production. Journal of Physics: Conference Series, 2017;891(1):012213.Stathopoulos, P. Steam generation with stoichiometric combustion of H2/O2 as a way to simultaneously provide primary control reserve and energy storage / P. Stathopoulos, T. Sleem, O. Paschereit. – 2017. – Vol. 205. – P. 692–702.Stathopoulos P., Sleem T., Oliver Paschereit C. Steam generation with stoichiometric combustion of H2/O2 as a way to simultaneously provide primary control reserve and energy storage. Applied Energy, 2017;205:692–702.Прибатурин, Н.А. Экспериментальное исследование процесса горения смесей водородкислородиметан-кислород в среде слабоперегретого водяного пара / Н.А. Прибатурин [и др.] // Теплоэнергетика. – 2016. – № 5. – С. 31–36.Pribaturin N.A., Fedorov V.A., Alekseev M.V., Bogomolov A.R., Sorokin A.L., Azihanov S.S., Shevyrev S.A.An experimental study of the combustion process of hydrogen-oxygen and methane-oxygen mixtures in a medium of slightly superheated steam (Eksperimental'noe issledovanie protsessa goreniya smesei vodorod-kislorod i metan-kislorod v srede slaboperegretogo vodyanogo para). Teploenergetika, 2016(5):31–36.Борзенко, В. И. Эффективность генерации пара в водородно-кислородном парогенераторе киловаттного класса мощности / В. И. Борзенко, А. И. Счастливцев // Теплофизика высоких температур. – 2018. – Т. 56. – Вып. 6. – С. 946–952.Borzenko V. I., Schastlivcev A. I.Efficiency of steam generation in a hydrogen-oxygen steam generator of a kilowatt power class(Effektivnost' generatsii para v vodorodno-kislorodnom parogeneratore kilovattnogo klassa moshchnosti). Teplofizika vysokih temperatur, 2018;56(6):946–952.Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. – М.: Наука, 1972. – 720 с..Vargaftik N.B. Directory of thermophysical properties of gases and liquids (Spravochnik po teplofizicheskim svoistvam gazov i zhidkostei), Moscow, 1972.

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