alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2023.04.068-084alternative-2237Research ArticleIV. ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА 12. Водородная экономикаIV. HYDROGEN ECONOMY. 12. Hydrogen EconomyПовышение эффективности ТЭЦ за счет комбинированного производства водорода, теплоты и электроэнергииImproving the efficiency of CHP plants through the combined production of hydrogen, heat and electricityКалмыковК. С.KalmykovK. S.

Калмыков Константин Сергеевич - ассистент Высшей школы атомной и тепловой энергетики (аспирант) 

Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 195251

+7 (911)120 47 85 

 Kalmykov Konstantin S -  assistant of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineering (postgraduate student) 

 Politekhnicheskaya, 29, St. Petersburg, Russian Federation, 195251

+7 (911)120 47 85 

kalmykov_ks@spbstu.ruКолбанцеваД. Л.KolbantsevaD. L.

Колбанцева Дарья Львовна - ассистент Высшей  школы атомной и тепловой энергетики (аспирант) 

Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 195251

 Kolbantseva Daria L -  assistant of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineering (postgraduate student) 

 Politekhnicheskaya, 29, St. Petersburg, Russian Federation, 195251

ТрещёвД. А.TreshchevD. A.

Трещёв Дмитрий Алексеевич - Старший  преподаватель Высшей школы атомной и тепловой энергетики 

Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 195251

 Treshchev Dmitriy A. -  senior lecturer of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineering (postgraduate student) 

 Politekhnicheskaya, 29, St. Petersburg, Russian Federation, 195251

АникинаИ. Д.AnikinaI. D.

Аникина Ирина Дмитриевна -  доцент Высшей школы атомной и тепловой энергетики 

Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 195251

 Anikina Irina D. -  assistant professor of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineering, Ph. D 

 Politekhnicheskaya, 29, St. Petersburg, Russian Federation, 195251

ТрещёваМ. А.TreshchevaM. A.

Трещёва Милана Алексеевна - доцент Высшей  школы атомной и тепловой энергетики 

Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 195251

Treshcheva Milana A. -  associate professor of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineering, Ph. D.

 Politekhnicheskaya, 29, St. Petersburg, Russian Federation, 195251

КалютикА. А.KalyutikA. A.

Калютик Александр Антонович -  директор Высшей школы атомной и тепловой энергетики, кандидат технических наук 

Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 195251

 Kalyutik Aleksandr A. -  Director of the Higher School of Nuclear and Thermal Energy, docent, Candidate of Technical Sciences 

 Politekhnicheskaya, 29, St. Petersburg, Russian Federation, 195251

ВладимировЯ. А.VladimirovIa. V.

Владимиров Ярослав Александрович - доцент Высшей школы атомной и тепловой энергетики (ВШАиТЭ),   кандидат технических наук 

Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 195251

 Vladimirov Iaroslav V. -  Associate professor of the Higher School of Nuclear and Heat Power Engineering, Ph. D. 

 Politekhnicheskaya, 29, St. Petersburg, Russian Federation, 195251

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияSt. Petersburg Polytechnic University of Peter the GreatRussian Federation202301092023046884Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20232023Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/2237

Работа посвящена разработке тепловой схемы для перевода когенерационной электростанции на тригенерацию с производством водорода в качестве нового продукта.Объектом для перевода на тригенерационный режим работы была выбрана Северная ТЭЦ-21 г. Санкт-Петербурга, имеющая в своем составе 5 энергоблоков с паровой турбиной T-100/120-130-3.Цель работы – оценить эффект при переводе когенерационной электростанции на тригенерационное производство электроэнергии, теплоты и водорода с учетом характерных режимов работы основного оборудования электростанции.К методам исследования относятся имитационное моделирование тепловой схемы паросиловой электростанции в программе United Cycle, моделирование процесса паровой конверсии метана в программе Aspen HYSYS, а также термодинамический анализ теплоутилизационных установок.Разработана новая тепловая схема тригенерационной электростанции с внедренной в ее состав установкой паровой конверсии метана (УПКМ). Проведена оценка влияния УПКМ на характерные режимы работы теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). На зимнем режиме с малыми отопительными нагрузками экономия топлива при комбинированном производстве электроэнергии, теплоты и водорода составила 2,5%. Коэффициент использования теплоты топлива вырос с 78,61% до 80,63%. На летнем режиме работы станции наиболее выгодным оказался режим с работой только одного энергоблока. Экономия топлива при внедрении установки паровой конверсии метана в состав ТЭЦ составила 13,8%. Коэффициент использования теплоты топлива вырос с 62,26% до 72,25%.Предложенный алгоритм исследования применим к тепловым электростанциям любого типа. Разработанная тепловая схема станции с комбинированным производством водорода, теплоты и электроэнергии применима для реализации на большинстве теплоэлектроцентралей, имеющих в своем составе достаточное количество типовых теплофикационных паротурбинных блоков.Исследование показывает, что в непиковое время потребления электричества и теплоты тепловые электростанции могут быть использованы для производства дополнительных технологических продуктов.

A thermal circuit was developed for the conversion of a cogeneration power plant to trigeneration with the production of hydrogen as a new product. The Severnaya CHPP-21 of St. Petersburg, which has 5 power units with a steam turbine T-100/120-130-3, was chosen as the object for switching to a trigeneration mode of operation.The purpose of the work is to evaluate the effect of switching a cogeneration power plant to trigeneration production of electricity, heat and hydrogen, taking into account the characteristic operating modes of the main equipment ofa power plant.Research methods include simulation modeling of the thermal scheme of the steam power plant in the United Cycle program, modeling of the process of steam reforming of methane in the Aspen HYSYS program, as well as thermodynamic analysis of heat recovery units.A new thermal circuit of a trigeneration power plant with a methane steam reforming unit (MSRU) integrated into its structure was developed. An assessment of the influence of the MSRU on the characteristic modes of operation of a combined heat and power plant (CHP) was carried out. In winter mode with low heating loads, fuel savings in the combined production of electricity, heat and hydrogen amounted to 2.5%. The coefficient of fuel heat utilization increased from 78.61% to 80.63%. In the summer mode of operation of the station, the most profitable mode turned out to be the mode with the operation of only one power unit. Fuel economy when integrating a steam-reforming unit into the CHPP was 13.8%. The coefficient of fuel heat utilization increased from 62.26% to 72.25%.The proposed research algorithm is applicable to thermal power plants of any type. The developed schematic thermal circuit of a plant with combined production of hydrogen, heat and electricity is applicable for implementation at most thermal power plants, which have a sufficient number of typical cogeneration steam turbine units.The study shows that during off-peak times of electricity and heat supply, thermal power plants can be used to produce additional technological products.

производство водородапаровая конверсия метанатригенерациятепловая электростанциятеплоэлектроцентральhydrogen productionmethane steam reformingtrigenerationthermal power plantcombined heat and power plantИсследование профинансировано Министерством науки и высшего образования РФ в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (соглашение 075-15-2023- 380 от 20 февраля 2023 г.).ReferencesChicco G., Mancarella P. Distributed multigeneration: A comprehensive view // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2009. No. 13. P. 535–551.Chicco G., Mancarella P. Distributed multigeneration: A comprehensive view // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2009. No. 13. P. 535–551.Mancarella P. MES (multi-energy systems): An overview of concepts and evaluation models // Energy. 2014. No. 65. P. 1–17.Mancarella P. MES (multi-energy systems): An overview of concepts and evaluation models // Energy. 2014. No. 65. P. 1–17.Jana K., Ray A., Majoumerd M.M., Assadi M., De S. Polygeneration as a future sustainable energy solution – A comprehensive review // Applied Energy. 2017. No. 202. P. 88–111.Jana K., Ray A., Majoumerd M.M., Assadi M., De S. Polygeneration as a future sustainable energy solution – A comprehensive review // Applied Energy. 2017. No. 202. P. 88–111.Тувальбаев Б.Г., Моисеев В.И. Работа ТЭС в постоянном режиме с выработкой дополнительной продукции на невостребованной энергии // Энергосбережение и водоподготовка. 2013. № 4 (84). С. 24–27.Tuval'baev B.G., Moiseev V.I. Rabota TEHS v postoyannom rezhime s vyrabotkoi dopolnitel'noi produktsii na nevostrebovannoi ehnergii // Ehnergosberezhenie i vodopodgotovka. 2013. № 4 (84). S. 24–27.Sergeev, V.V. Using heat pumps to improve the efficiency of combined-cycle gas turbines / V.V. Sergeev [et al.] // Energies. – 2021. – Vol. 14. – No 9. – DOI: 10.3390/en14092685.Sergeev, V.V. Using heat pumps to improve the efficiency of combined-cycle gas turbines / V.V. Sergeev [et al.] // Energies. – 2021. – Vol. 14. – No 9. – DOI: 10.3390/en14092685.Fomin, V.A. Combined-cycle gas turbine plant based on steam-turbine unit and a parallel superimposed gas-turbine plant with waste heat recovery boiler / V.A. Fomin, A.A. Kalyutik // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering: International Scientific Electric Power Conference 2019, ISEPC 2019, Saint Petersburg, 23–24 мая 2019 года. – Saint Petersburg: Institute of Physics Publishing, 2019. – P. 012139. – DOI: 10.1088/1757-899X/643/1/012139.Fomin, V.A. Combined-cycle gas turbine plant based on steam-turbine unit and a parallel superimposed gas-turbine plant with waste heat recovery boiler / V.A. Fomin, A.A. Kalyutik // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering: International Scientific Electric Power Conference 2019, ISEPC 2019, Saint Petersburg, 23–24 maya 2019 goda. – Saint Petersburg: Institute of Physics Publishing, 2019. – P. 012139. – DOI: 10.1088/1757-899X/643/1/012139.Sergeev, V.V. Efficiency of using heat pumps with various refrigerants in real steam turbine power units with PT-80 and T-250 turbines / V.V. Sergeev [et al.] // E3S Web of Conferences, St. Petersburg, November 19–20, 2019. EDP Sciences, 2019. – P. 10001. – DOI: 10.1051/e3sconf/201914010001.Sergeev, V.V. Efficiency of using heat pumps with various refrigerants in real steam turbine power units with PT-80 and T-250 turbines / V.V. Sergeev [et al.] // E3S Web of Conferences, St. Petersburg, November 19–20, 2019. EDP Sciences, 2019. – P. 10001. – DOI: 10.1051/e3sconf/201914010001.Roberto Carapellucci, Lorena Giordano. Upgrading existing gas-steam combined cycle power plants through steam injection and methane steam reforming, Energy, Volume 173, 2019, Pages 229-243, ISSN 0360-5442. – DOI: 10.1016/j.energy.2019.02.046.Roberto Carapellucci, Lorena Giordano. Upgrading existing gas-steam combined cycle power plants through steam injection and methane steam reforming, Energy, Volume 173, 2019, Pages 229-243, ISSN 0360-5442. – DOI: 10.1016/j.energy.2019.02.046.Matteo C. Romano, Eugenio N. Cassotti, Paolo Chiesa, Julien Meyer, Johann Mastin, Application of the Sorption Enhanced-Steam Reforming process in combined cycle-based power plants, Energy Procedia, Volume 4, 2011, Pages 1125-1132, ISSN 1876-6102. – DOI: 10.1016/j.egypro.2011.01.164.Matteo C. Romano, Eugenio N. Cassotti, Paolo Chiesa, Julien Meyer, Johann Mastin, Application of the Sorption Enhanced-Steam Reforming process in combined cycle-based power plants, Energy Procedia, Volume 4, 2011, Pages 1125-1132, ISSN 1876-6102. – DOI: 10.1016/j.egypro.2011.01.164.Kalmykov, K.; Anikina, I.; Kolbantseva, D.; Trescheva, M.; Treschev, D.; Kalyutik, A.; Aleshina, A.; Vladimirov, I. Use of Heat Pumps in the Hydrogen Production Cycle at Thermal Power Plants. Sustainability 2022, 14, 7710. – DOI: 10.3390/su14137710.Kalmykov, K.; Anikina, I.; Kolbantseva, D.; Trescheva, M.; Treschev, D.; Kalyutik, A.; Aleshina, A.; Vladimirov, I. Use of Heat Pumps in the Hydrogen Production Cycle at Thermal Power Plants. Sustainability 2022, 14, 7710. – DOI: 10.3390/su14137710.Паровая конверсия метана и его смесей с пропаном в мембранном реакторе с промышленным никелевым катализатором и фольгой из сплава Pd–Ru / Л. П. Диденко, Л. А. Семенцова, П. Е. Чижов, Т. В. Дорофеева // Нефтехимия. – 2019. – Т. 59, № 3. – С. 271-281. – DOI: 10.1134/S0028242119030055.Parovaya konversiya metana i ego smesei s propanom v membrannom reaktore s promyshlennym nikelevym katalizatorom i fol'goi iz splava Pd–Ru / L. P. Didenko, L. A. Sementsova, P. E. Chizhov, T. V. Dorofeeva // Neftekhimiya. – 2019. – T. 59, № 3. – S. 271-281. – DOI: 10.1134/S0028242119030055.Гаврилюк А.Н. Технология связанного азота и азотных удобрений. Практикум: учеб. -метод. пособие для студентов специальности 1-48 01 01 «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий» специализации 1-48 01 01 01 «Технология минеральных удобрений, солей и щелочей» / А.Н. Гаврилюк, О.Б. Дормешкин. – Минск: БГТУ, 2018. – 162 с.Gavrilyuk A.N. Tekhnologiya svyazannogo azota i azotnykh udobrenii. Praktikum: ucheb.-metod. posobie dlya studentov spetsial'nosti 1-48 01 01 «Khimicheskaya tekhnologiya neorganicheskikh veshchestv, materialov i izdeliI» spetsializatsii 1-48 01 01 01 «Tekhnologiya mineral'nykh udobrenii, solei i shchelocheI» / A.N. Gavrilyuk, O.B. Dormeshkin. – Minsk: BGTU, 2018. – 162 s.Арутюнов В.С., Крылов О.В. Окислительные превращения метана. – М.: Наука, 1998. – 361 с., ил.Arutyunov V.S., Krylov O.V. Okislitel'nye prevrashcheniya metana. – M.: Nauka, 1998. – 361 s., il.Письмен М.К. Производство водорода в нефтеперерабатывающей промышленности. М., «Химия», 1976.Pis'men, M.K. Proizvodstvo vodoroda v neftepererabatyvayushchei promyshlennosti /M.K. Pis'men. – M.: Khimiya, 1976.Садыков, А.В. Решение внутренней задачи конверсии природного газа в трубчатой печи / А.В. Садыков, Н.Г. Смолин, В.И. Елизаров. – 2009. – № 6. – С. 224-231.Sadykov, A.V. Reshenie vnutrennei zadachi konversii prirodnogo gaza v trubchatoi pechi / A. V. Sadykov, N.G. Smolin, V.I. Elizarov. – 2009. – № 6. – S. 224-231.Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. Под ред. Н.В. Кузнецов и др., М., «Энергия», 1973.Teplovoi raschet kotel'nykh agregatov. Normativnyi metod. Pod red. N.V. Kuznetsov i dr., M., «Ehnergiya», 1973.Romanov, S. “United Cycle” Software for Simulation of Flow Sheets of Power Plants. / S. Romanov [et al.] // In Proceeding of the “16th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation, and Environmental Impact of Energy Systems (ECOS-2003)”, Copenhagen, Denmark, 30 June–2 July 2003; pp. 1691–1696.Romanov, S. “United Cycle” Software for Simulation of Flow Sheets of Power Plants. / S. Romanov [et al.] // In Proceeding of the “16th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation, and Environmental Impact of Energy Systems (ECOS-2003)”, Copenhagen, Denmark, 30 June–2 July 2003; pp. 1691–1696.Romanov, S.N. Software “United Cycle” for Simulation of Static Operation Modes of Power Plants. In Proceedings of the International Society for Optical Engineering, St. Petersburg, Russia, 12–17 June 2001; pp. 306–309. – DOI: 10.1117/12.456288.Romanov, S.N. Software “United Cycle” for Simulation of Static Operation Modes of Power Plants. In Proceedings of the International Society for Optical Engineering, St. Petersburg, Russia, 12–17 June 2001; pp. 306–309. – DOI: 10.1117/12.456288.Тепловые схемы ТЭС и АЭС. Под ред. С.А. Казарова. – СПб: Энерго-атомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 1995. – 392 с.Teplovye skhemy TEHS i AEHS. Pod red. S. A. Kazarova. – SPb: Ehnergo-atomizdat. SanktPeterburgskoe otd-nie, 1995. – 392 s.Боровков В. М. Тепловые схемы ПГУ: автоматизация конструирования и расчета / В.М. Боровков [и др.] // Электрические станции. – 1994. – № 7. – с. 36-40.Borovkov V. M. Teplovye skhemy PGU: avto-matizatsiya konstruirovaniya i rascheta / V.M. Borovkov [i dr.] // Ehlektricheskie stantsii. – 1994. – № 7. – s. 36-40.

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