References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2024.01.102-118

alternative-2370

Research Article

II. НЕВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА 9. Атомная энергетика

Оценка рабочего ресурса лопаток и дисков турбины в условиях циклических нагрузок при водородном перегреве рабочего тела в паротурбинном цикле АЭС

Working life assessment of turbine blades and disks under cyclic loads conditions with hydrogen overheating of the working fluid in the steam turbine cycle of NPP

Байрамов

А. Н.

Bairamov

A. N.

Байрамов Артем Николаевич - старший научный сотрудник,

410054, Саратов, ул. Политехническая, д. 77

Bairamov Artem Nicolaevich - senior researcher,

410054, Saratov, st. Politekhnicheskaya, 77

art2198@yandex.ru

ФГБУН ФИЦ «Саратовский научный центр РАН», Отдел энергетических проблем СНЦ РАНРоссияFederal State Budgetary Institution Federal Research Center «Saratov Scientific Center of the Russian Academy of Sciences», Department of Energy problems of SSC RASRussian Federation

2024

16052024

01102118

2023

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/2370

Целью статьи является обоснование эффективности участия АЭС в комбинировании с водородным комплексом в покрытии пиков электрической нагрузки в энергосистеме по критерию скорости отпуска пиковой мощности с учетом рабочего ресурса наиболее важных составляющих ротора турбоагрегата – рабочих лопаток и дисков.

Современные условия развития атомной энергетики в России предъявляют к атомным станциям требования маневренности. В частности, это продиктовано энергетической стратегией развития России на перспективу до 2035 г., в которой поставлена задача о привлечении АЭС к участию в регулировании суточной неравномерности электрической нагрузки в диапазоне до 50 % от номинальной мощности. Кроме этого, атомные станции будут привлекаться к участию в первичном регулировании частоты, что будет обязывать их нести разгрузочный режим работы в течение суток. Поскольку АЭС в энергосистеме всегда несут базисную нагрузку, то все эти обстоятельства вынуждают искать способы обеспечения базисной нагрузкой. Традиционным решением являлось использование гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). Но из-за специфики их сооружения связка АЭС+ГАЭС не эффективна. Более эффективно использование водородного комплекса на основе электролизного получения водорода и кислорода с целью их использования для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле АЭС в пиковые периоды электрической нагрузки в энергосистеме. При этом критически важным является оценка скорости отпуска пиковой мощности по критерию рабочего ресурса наиболее важных составляющих ротора турбоагрегата – рабочих лопаток и дисков. В статье на основе известных методик и моделей по усталостному износу выполнена оценка рабочего ресурса рабочих лопаток и дисков первой ступени ротора ЦВД, как наиболее подверженных циклическому износу на примере турбины К-1000-60/1500 в условиях использования паро-водородного перегрева свежего пара.

The purpose of the article is to substantiate the effectiveness of the participation of nuclear power plants in combination with a hydrogen complex in covering peaks of electrical load in the power system according to the criterion of the rate of release of peak power, taking into account the working life of the most important components of the turbine unit rotor-rotor blades and disks.

Modern conditions for the development of nuclear energy in Russia impose maneuverability requirements on nuclear power plants. In particular, this is dictated by the energy development strategy of Russia for the period up to 2035, which sets the task of attracting nuclear power plants to participate in regulating daily unevenness of electrical load in the range of up to 50% of the rated power. In addition, nuclear power plants will be involved in the primary frequency regulation, which will oblige them to carry out unloading operation during the day. Since nuclear power plants in the power system always carry a base load, all these circumstances force us to look for ways to provide a base load. The traditional solution has been the use of pumped storage power plants (PSPP). But due to the specifics of their construction, the combination of nuclear power plants + pumped storage power plants is not effective. It is more effective to use a hydrogen complex based on the electrolysis of hydrogen and oxygen for the purpose of using them to overheat the working fluid in the steam turbine cycle of nuclear power plants during peak periods of electrical load in the power system. In this case, it is critically important to assess the rate of peak power release based on the criterion of the working life of the most important components of the turbine unit rotor-rotor blades and disks. In the article, based on well-known methods and models for fatigue wear, the working life of the working blades and disks of the first stage of the HPC rotor, as the most susceptible to cyclic wear, is assessed using the example of the C-1000-60/1500 turbine under conditions of using steam-hydrogen superheating of fresh steam.

атомная электростанцияводородный комплексбезопасностьусталостный износрабочий ресурс

nuclear power planthydrogen complexsafetyfatigue wearworking life

References1

. Энергетическая стратегия России на период до 2035 г./ Правительство Российской Федерации. – Москва, 2020 г. – 79 с.

. Energy strategy of Russia for the period until 2035 / Government of the Russian Federation. – Moscow, 2020 – 79 p.

. Стандарт организации ОАО «СО ЕЭС». Нормы участия энергоблоков атомных электростанций в нормированном первичном регулировании частоты. – Введ. 19.08.2013. – ОАО «СО ЕЭС», 2013.

. Standard of the organization of public corporation «SO UES». Standards for the participation of nuclear power plant power units in normalized primary frequency regulation. – Enter. 08.19.2013. – public corporation «SO UES», 2013.

. Стандарт организации ОАО РАО «ЕЭС России» оперативно-диспетчерское управление в электроэнергетике. Регулирование частоты и перетоков активной мощности в ЕЭС и изолированно работающих энергосистемах России. – Введ. 11.01.2007. – ОАО «СО ЕЭС», 2007.

. Standard for the organization Russian joint-stock company «UES of Russia» operational dispatch control in the electric power industry. Regulation of frequency and active power flows in the Unified Energy System and isolated operating power systems of Russia. – Enter. 01/11/2007. – public corporation «SO UES», 2007.

. Аминов Р. З. Оценка системной эффективности атомно-водородного энергетического комплекса / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов, М. В. Гариевский // Теплоэнергетика. – 2019. – № 3. – С. 57-71.

. Aminov R. Z. Assessment of the performance of a nuclear-hydrogen power generation system / R. Z. Aminov, A. N. Bairamov, M. V. Garievsky // Thermal power engineering. – 2019. – № 3. – P. 57-71.

. Houcheng Zhang. Evaluation and calculation on the efficiency of a water electrolysis system for hydrogen production / Zhang Houcheng, Lin Guoxing, Chen Jincan //International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – Volume 35. – Issue 20. – Pages 10851-10858.

. The stability of MEA in SPE water electrolysis for hydrogen production / Wei Guoqiang [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – Volume 35. – Issue 9. – Pages 3951-3957.

. Huaneng Su. Membrane electrode assemblies with low noble metal loadings for hydrogen production from solid polymer electrolyte water electrolysis / Su Huaneng, Linkov Vladimir, Bernard Jan Bladergroen // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – Volume 38. – Issue 23. – Pages 9601-9608.

. Development and testing of a novel catalystcoated membrane with platinum-free catalysts for alkaline water electrolysis / Hnáta Jaromír [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Volume 44. – Issue 33. – Pages 17493-17504.

. Development and testing of a novel catalystcoated membrane with platinum-free catalysts for alka-line water electrolysis / Hnáta Jaromír [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Volume 44. – Issue 33. – Pages 17493-17504.

. Intermetallics as advanced cathode materials in hydrogen production via electrolysis / Dragica Lj. Stojić [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2006. – Volume 31. – Issue 7. – Pages 841-846.

. Huiyong Kim. One-dimensional dynamic modeling of a high-pressure water electrolysis system for hydrogen production / Kim Huiyong, Park Mikyoung, Soon Lee Kwang // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – Volume 38. – Issue 6. – Pages 2596- 2609.

. Theoretical and experimental analysis of an asymmetric high pressure PEM water electrolyser up to 155 bar / Sartory Markus [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Volume 42. – Issue 52. – Pages 30493-30508.

. Pressurized PEM water electrolysis: Efficiency and gas crossover / Schalenbach Maximilian [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Volume 41. – Issue 1. – 2016. – Pages 729-732.

. I. Abe. Hydrogen production by high temperature, high pressure water electrolysis, results of test plant operation / I. Abe, T. Fujimaki, M. Matsubara // International Journal of Hydrogen Energy. – 1984. – Volume 9. – Issue 9. – Pages 753-758.

. Synergistic roles of off-peak electrolysis and thermochemical production of hydrogen from nuclear energy in Canada / G. F. Naterer [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2008. – Volume 33. – Issue 23. – Pages 6849-6857.

. Life cycle cost and sensitivity analysis of a hydrogen system using low-price electricity in China / Y. Li [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Volume 42. – Issue 4. – Pages 1899-1911.

. On the production of hydrogen via alkaline electrolysis during off-peak periods / P. -H. Floch [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2007. – Volume 32. – Issue 18. – Pages 4641-4647.

. Tsutomu Oi. Feasibility study on hydrogen refueling infrastructure for fuel cell vehicles using the off-peak power in Japan / Oi Tsutomu, Wada Koichi // International Journal of Hydrogen Energy. – 2004. – Volume 29. – Issue 4. – Pages 347-354.

. Tsutomu Oi. Feasibility study on hydrogen re-fueling infrastructure for fuel cell vehicles using the off-peak power in Japan / Oi Tsutomu, Wada Koichi // International Journal of Hydrogen Energy. – 2004. – Volume 29. – Issue 4. – Pages 347-354.

. S. Stucki. The cost of electrolytic hydrogen from off-peak power / S. Stucki // International Journal of Hydrogen Energy. – 1991. – Volume 16. – Issue 7. – Pages 461-467.

. K. Darrow. Commodity hydrogen from off- peak electricity / K. Darrow, N. Biederman, A. Konopka // International Journal of Hydrogen Energy. – 1977. – Volume 2. – Issue 2. – Pages 175-188.

. K. Darrow. Commodity hydrogen from offpeak electricity / K. Darrow, N. Biederman, A. Konopka // International Journal of Hydrogen Energy. – 1977. – Volume 2. – Issue 2. – Pages 175-188.

. C. Derive. Hydrogen in gas turbines / C. Derive, D. Madet, M. Roche // International Journal of Hydrogen Energy. – 1987. – Volume 12. – Issue 7. – Pages 501-504.

. Hydrogen production from nuclear fission product waste heat and use in gas turbines / M. E. Nelson [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 1980. – Volume 5. – Issue 4. – Pages 383-399.

. F. Gutiérrez-Martín Pre-investigation of water electrolysis for flexible energy storage at large scales: The case of the Spanish power system / F. Gutiérrez-Martín, A. Ochoa-Mendoza, L. M. Rodríguez-Antón // International Journal of Hydrogen Energy. – 2015. – Volume 40. – Issue 15. – Pages 5544-5551.

. F. Gutiérrez-Martín Pre-investigation of water electrolysis for flexible energy storage at large scales: The case of the Spanish power system / F. GutiérrezMartín, A. Ochoa-Mendoza, L. M. Rodríguez-Antón // International Journal of Hydrogen Energy. – 2015. – Volume 40. – Issue 15. – Pages 5544-5551.

. Anil Antony. A generic methodology to evaluate economics of hydrogen production using energy from nuclear power plants / Anil Antony, N. K. Maheshwari, A. Rama Rao // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Volume 42. – Issue 41. – Pages 25813-25823.

. Пат. № 2769511. Российская Федерация. Паротурбинная установка АЭС с системой безопасного использования водорода / Байрамов А. Н.; заявитель и патентообладатель Байрамов А. Н. – № 2021112671; заявл. 29.04.2021; опубл. 01.04.2022. Бюл. №10.

. Pat. № 2769511. Russian Federation. Steam turbine installation of a nuclear power plant with a system for the safe use of hydrogen / Bairamov A. N.; applicant and patent holder A. N. Bairamov – № 2021112671; application 04.29.2021; publ. 04.01.2022. Bull. № 10.

. Байрамов А. Н. Разработка научных основ повышения эффективности АЭС при комбинировании с водородным комплексом [Текст]: дис. на соискание ученой степени докт. техн. наук: 05.14.01 / Артем Николаевич Байрамов; науч. конс. Р. З. Аминов. – Саратов, 2022. – 397 с.

. Bairamov A. N. Development of scientific principles for increasing the efficiency of nuclear power plants when combined with a hydrogen complex [Text]: dis. for the academic degree of Doctor of Science. tech. Sciences: 05.14.01 / Artem Nikolaevich Bairamov; scientific cons. R. Z. Aminov. – Saratov, 2022. – 397 p.

. Пат. 2758644 Российская Федерация, МПК G 21D 5/16, F22B 1/26. Система сжигания водорода в кислороде в закрученном потоке повышенной безопасности с использованием ультравысокотемпературных керамических материалов для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле атомной электрической станции / заявитель и патентообладатель Байрамов А. Н. № 2021112668/07; заявл. 29.04.2021; опубл. 01.11.2021, Бюл. № 31. – 17 с.: ил.

. Pat. 2758644 Russian Federation, IPC G 21D 5/16, F22B 1/26. A system for burning hydrogen in oxygen in a swirling flow of increased safety using ultra-high-temperature ceramic materials for overheating the working fluid in the steam turbine cycle of a nuclear power plant / applicant and patent holder Bairamov A. N. № 2021112668/07; application 04.29.2021; publ. 01.11.2021, Bulletin. № 31. – 17 p.

. Байрамов А. Н. Оценка эффективности перспективных вариантов схем комбинирования АЭС с водородным комплексом / А. Н. Байрамов // Энергетик. – 2023. – № 2. – С. 8-13.

. Bairamov A. N. Evaluation of the effectiveness of promising options for combining nuclear power plants with a hydrogen complex / A. N. Bairamov // Energy. – 2023. – № 2. – P. 8-13.

. Механика разрушения и прочность материалов: справочное пособие / Под общ. ред. В. В. Панасюка. – Т. 4. – Киев: Наукова думка, 1990. –680 с.

. Fracture mechanics and strength of materials: reference manual / Ed. V. V. Panasyuk. – T. 4. – Kyiv: Naukova dumka, 1990. – 680 p.

. Машиностроение: энциклопедия по машиностроению / Ред. совет: К. В. Фролов [и др.]. – Т. II-1. – М.:Машиностроение, 2010. – 852 с.

. Mechanical engineering: encyclopedia of mechanical engineering / Editorial board: K. V. Frolov [et al.]. – T. II-1. – M.: Mechanical Engineering, 2010. – 852 p.

. Когаев В. П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность / В. П. Когаев, Н. А. Махутов, А. П. Гусенков. – М.: Машиностроение, 1985. – 223 с.

. Kogaev V. P. Calculations of machine parts and structures for strength and durability / V. P. Kogaev, N. A. Makhutov, A. P. Gusenkov. – M.: Mechanical Engineering, 1985. – 223p.

. Павлов П. А. Основы инженерных расчетов элементов машин на усталость и длительную прочность / П.А. Павлов. – Л.:1988. – 252 с.

. Pavlov P. A. Fundamentals of engineering calculations of machine elements for fatigue and longterm strength / P. A. Pavlov. – L.: 1988. – 252 p.

. Трощенко В. Т. Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении / В. Т. Трощенко, В. В. Покровский, А. В. Прокопенко. – Киев: Наукова думка, 1987. – 256 с.

. Troshchenko V. T. Crack resistance of metals under cyclic loading / V. T. Troshchenko, V. V. Pokrovsky, A. V. Prokopenko. – Kyiv: Naukova dumka, 1987. – 256 p.

. Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения / Г. П.Черепанов. – М.: Наука, 1974. – 640 с.

. Cherepanov G. P. Mechanics of brittle fracture / G. P. Cherepanov. – M.: Nauka, 1974. – 640 p.

. 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). – V.44. – 5696-5703.

. 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. – V. 44. – 5696-5703.

. Bairamov A.N. Efficiency Assessment of Hydrogen Production Systems under Fatigue Wear Conditions / A. N. Bairamov // Journal of Physics: Conference Series. – 2020. – 1683. – 042009.

. Bairamov A. N. Efficiency Assessment of Hydrogen Production Systems under Fatigue Wear Conditions / A. N. Bairamov // Journal of Physics: Conference Series. – 2020. – 1683. – 042009.

. Aminov R. Z. Estimating the system efficiency of the multifunctional hydrogen complex at nuclear power plants / R. Z. Aminov, A. N. Bairamov, M. V. Garievskii // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45. – 14614-14624.

. Костюк А. Г. Динамика и прочность турбомашин / А. Г. Костюк. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 476 с.

. Kostyuk A. G. Dynamics and strength of turbomachines / A. G. Kostyuk. – 3rd ed. reworked and additional. – M.: MPEI Publishing House, 2007. – 476 p.

. Жирицкий Г. С. Конструкция и расчет на прочность деталей паровых и газовых турбин / Г. С. Жирицкий, В. А. Стрункин. – 3-е изд. – М.: Машиностроение, 1968. – 523 с.

. Zhiritsky G. S. Design and strength calculation of parts of steam and gas turbines / G. S. Zhiritsky, V. A. Strunkin. – 3rd ed. – M.: Mechanical Engineering, 1968. – 523 p.

. R. Z. Aminov Estimation of resource capabilities of the NPP turbine unit under the primary frequency control of the current in the power system / R. Z. Aminov, A. N. Bairamov, A. B. Moskalenko // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 4th International Scientific and Technical Conference on Energy Systems. – 2020. –791. – 012004

. R. Z. Aminov. Estimation of resource capabilities of the NPP turbine unit under the primary frequency control of the current in the power system / R. Z. Aminov, A. N. Bairamov, A. B. Moskalenko // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 4th International Scientific and Technical Conference on Energy Systems. – 2020. – 791. – 012004.

. Горбовец М. А. О параметрах уравнения Пэриса при испытаниях на скорость роста трещины усталости жаропрочных титановых сплавов / М. А. Горбовец, Н. А. Ночовная // Труды ВИАМ. – 2016. – № 4 (40). – С.13-19.

. Gorbovets M. A. On the parameters of the Paris equation when testing the fatigue crack growth rate of heat-resistant titanium alloys / M. A. Gorbovets, N. A. Nochovnaya // Proceedings of VIAM. – 2016. – № 4 (40). – P. 13-19.

. Голубовский Е. Р. Оценка скорости развития трещины усталости в никелевых сплавах для дисков ГТД / Е. Р. Голубовский, М. Е. Волков, Н. М. Эммаусский // Вестник двигателестроения. – 2013. – № 2. – С. 229-235.

. Golubovsky E. R. Estimation of the rate of development of fatigue cracks in nickel alloys for gas turbine engine disks / E. R. Golubovsky, M. E. Volkov, N. M. Emmaussky //Engine Building Bulletin. – 2013. – № 2. – P. 229-235.

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