ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ЗАМКНУТОГО ВОДОРОДНОГО ЦИКЛА ГОРЕНИЯ

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.

1. Аминов, Р.З. Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электростанциями / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов. – М.: Наука, 2016. – 254 с.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Aminov, R.Z. Multifunctional Backup for NPP Internal Needs / R.Z. Aminov [et al.] // Atomic Energy. – 2017. – Vol. 121. – Iss. 5. – P. 327–333.

7. 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.

8. 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.

9. 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).

10. 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).

11. 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).

12. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. – М., 1972. – 720 с.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Темам, Р. Уравнения Навье – Стокса. Теория и численный анализ / Р. Темам. – М.: Мир, 1981. – 408 с.

18. Ландау, Л. Д. Гидродинамика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. – М.: Наука, 1988. – 736 с.

19. Дульнев, Г.Н. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена / Г.Н. Дульнев, В.Г Парфенов, А.В Сигалов. – М.: Высшая Школа, 1990. – 207 с.

20. 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.

21. Патанкар, С. В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах / С. В. Патанкар. – М.: Издательство МЭИ, 2003. – 312 с.

22. D. Anderson, Jr. Computational Fluid Dynamics. The basics with applications. / D. Anderson, Jr. – McGraw-Hill Inc, 1995. – 383 p.

23. 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.

24. Федорова, Н.Н. Основы работы в ANSYS 17 / Н.Н. Федорова [и др.]. – М.: ДМК Пресс, 2017. – 210 с.

25. Франк-Каменецкий, Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д.А. Франк-Каменецкий – М.: Наука, 1987. – 502 с.

26. Poinsot, T. Theoretical and Numerical Combustion / T. Poinsot, D. Veynante. – R.T. Edwards Inc., 2012. – 588 p.

27. 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.

28. 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.

29. Масленников С.Б. Жаропрочные стали и сплавы: Справочник / С.Б. Масленников. – М.: Металлургия, 1983. – 192 с.

30. Александренков, В.П. Расчет наружного проточного охлаждения камеры ЖРД. Электронное учебное издание / В.П. Александренков. – М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012.