Оценка системной эффективности многофункционального водородного комплекса на АЭС

Проведен анализ проблемы первичного регулирования частоты тока в энергосистеме, а также перечислены основные требования к энергоблокам атомной электростанции в условиях привлечения к первичному регулированию. Согласно данным требованиям, работа АЭС связана с разгрузкой и соответствующим снижением КПД. В этой связи показано, что комбинирование АЭС с водородным комплексом позволяет исключить неэффективный разгрузочный режим. Это позволяет паротурбинному оборудованию и оборудованию реакторной установки работать в базовом режиме на номинальном уровне мощности. Кроме того, создаются условия для выработки и аккумулирования водорода и кислорода в течение суток, а также дополнительно в период ночного провала электрической нагрузки, что позволяет их использовать для выработки пиковой мощности. Оценивался системный экономический эффект в результате участия АЭС в комбинировании с водородным комплексом в первичном регулировании частоты тока в энергосистеме с учѐтом ресурсных затрат основного оборудования. В этой связи приведено обоснование циклических нагружений основного оборудования водородного комплекса: металлических ѐмкостей хранения водорода и кислорода, компрессорных установок, водород-кислородной камеры сгорания паро-водородного перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле АЭС. Изложены методические основы оценки рабочего ресурса оборудования в условиях циклического нагружения при участии в первичном регулировании частоты по критерию скорости роста усталостной трещины. Показано, что для оборудования водородного комплекса наибольшая интенсивность нагружения возникает в водород-кислородной камере сгорания вследствие высоких термических напряжений. Выполнена оценка системного экономического эффекта и показано влияние износа основного оборудования в условиях циклического нагружения. Показано, что в условиях комбинирования энергоблоков АЭС с водородным комплексом эффективность первичного регулирования значительно зависит от: стоимости оборудования, подвергающегося циклическим нагружениям; частоты и интенсивности циклических нагружений; соотношения тарифа на пиковую электроэнергию и себестоимость электроэнергии АЭС. На основе новой методики оценки эффективности участия АЭС с водородным комплексом в первичном регулировании частоты с учѐтом ущерба оборудованию показано, что наличие водородного комплекса обеспечивает ощутимый экономический эффект по сравнению с вариантом разгрузки АЭС при прямом участии в регулировании частоты.

1. Энергетическая стратегия России на период до 2035 г./ Министерство энергетики Российской Федерации. – Москва, 2014. – 263 с.

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

3. 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.

4. Aminov, R.Z. On the issue of investigating 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.

5. Аминов, Р.З. Оценка конкурентной эффективности получения водорода методом электролиза воды на основе внепиковой электроэнергии / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов // Известия РАН. Энергетика. – 2016. – № 4. – С.84–90.

6. Aminov, R.Z. Assessment of the Performance of a Nuclear–Hydrogen Power Generation System / R.Z. Aminov, A.N. Bairamov, M.V. Garievskii // Thermal Engineering. – 2019. – Vol. 66. – Is. 3. – P. 196–209.

7. Bairamov, A. N. life cycle assessment of hydro-gen energy facility by criterion for maximum load frequency / A.N. Bairamov // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Vol. 44. – Is. 12. – P. 5696–5703.

8. Аминов, Р.З. Оценка системной эффективности АЭС в комбинировании с водородным энергетическим комплексом / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов // Известия РАН. Энергетика. – 2019. – № 1. – С.70–81.

9. Aminov, R.Z. Participation Efficiency of the NPP with the Hydrogen Production Facility in Primary Frequency Regulation of the Power System / R.Z. Aminov, A.N. Bairamov // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1111. – P. 012023.

10. 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 обраще-ния: 29.04.2019.).

11. Forsberg, C.W. Is hydrogen the future of nuclear energy? / C.W. Forsberg. // International topical meeting on the safety and technology of nuclear hydrogen pro-duction, control and management. – 2007. – Boston. – Режим доступа: http://www.350.me.uk/TR/Hansen/Forsberg01.pdf – (Дата обращения: 29.04.2019).

12. 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: 29.04.2019).

13. Forsberg, C.W. Production of Hydrogen Using Nuclear Energy / C.W. Forsberg // International Scientif-ic Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). – 2004. – № 2 (10). – P. 5–9.

14. Hydrogen as an Energy Carrier and its Produc-tion by Nuclear Power // International Atomic Energy Agency. – 1999. – P. 347.

15. Sorgulu, F. Cost evaluation of two potential nuclear power plants for hydrogen production / F. Sorgulu, I. Dincer // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – Vol. 43. – Is. 23. – P. 10522–10529.

16. Antony, A.A generic methodology to evaluate economics of hydrogen production using energy from nuclear power plants / A. Antony, N.K. Maheshwari, A. Rama Rao // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – Is. 41. – P. 25813–25823.

17. Ma, Z. Study on the hydrogen risk in venturi scrubber filter of filtered containment venting system under PWR severe accident / Z. Ma [et al.] // Nuclear Engineering and Design. – 2018.– Vol. 327. – P. 61–69.

18. Verfondern, K. Safety concept of nuclear cogeneration of hydrogen and electricity / K. Verfondern [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – Is. 11. – P. 7551–7559.

19. Al-Zareer, M. Development and assessment of a novel integrated nuclear plant for electricity and hydro-gen production / M. Al-Zareer, I. Dincer, M.A. Rosen// Energy Conversion and Management. – 2017. – Vol. 134. – P. 221–234.

20. Шпильрайн, Э.Э. Применение водорода в энергетике и в энерготехнологических комплексах / Э.Э. Шпильрайн, Ю.А. Сарутов, О.С. Попель // Атомно-водородная энергетика и технология. – М.: Атомиздат., 1982. – Вып. 4. – С. 5–22.

21. Малышенко, С.П. Некоторые термодинамические и технико-экономические аспекты применения водорода как энергоносителя в энергетике / С.П. Малышенко, О.В. Назарова, Ю.А. Сарутов // Атомно-водородная энергетика и технология. – М.: Энергоатомиздат., 1986. – Вып. 7. – С. 105–126.

22. Пат. 2427048 Российская Федерация, МПК7 F 22B 1/26, G 21D5/16, F 01K3/18. Система сжигания водорода для паро-водородного перегрева све-жего 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.

23. Пат. № 2459293 Российская Федерация, 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. – 9 с.

24. Аминов, Р.З. Резервирование собственных нужд АЭС в условиях полного обесточивания на основе водородного цикла / Р.З. Аминов, А.Н. Его-ров, В.Е. Юрин // Атомная энергия. – 2013. – № 4 (114). – С. 234–236.

25. Bairamov, A.N. Evaluation of the operating resource of the most loaded rotor element of the additional steam turbine with steam-hydrogen overheat of the working fluid at a nuclear power station / A.N. Bairamov // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 891. – P. 012252.

26. Khrustalev, V.A. On the efficiency of variable frequency drives of the main circulating pumps of nuclear power plants with water-cooled (VVER) and fast neutron reactors (BN) / V.A. Khrustalev, M.V. Garievskii, G.B. Lazarev // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1111. – P. 012028.

27. Нормы участия энергоблоков атомных электростанций в нормированном первичном регулиро-вании частоты. Приложение 1 к приказу ОАО «СО ЕЭС» от 19.08.2013. № 314

28. Регулирование частоты и перетоков активной мощности в ЕЭС и изолированно работающих энергосистемах России. Стандарт организации ОАО РАО «ЕЭС России» оперативно-диспетчерское управление в электроэнергетике. Дата введения: 2007-11-01.

29. Павлушко, С.А. Технические требования к генерирующему оборудованию участников оптового рынка. – М., 2017. – 192 с.

30. Отчет о функционировании ЕЭС России в 2018 году [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://so-ups.ru/fileadmin/files/company/reports/disclosure/2019/ups_rep2018.pdf – (Дата обращения: 29.04.2019).

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

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

33. Развитие научных основ построения водородных циклов в интеграции с влажно-паровыми АЭС (промежуточ.: исследовать рабочий ресурс дополнительной паровой турбины АЭС в составе водо-родного энергетического комплекса в условиях термоциклических нагрузок): отчѐт о НИР / Российская академия наук Саратовский научный центр Отдел энергетических проблем; рук. Аминов Р..; исполн.: Байрамов А.Н., Егоров А.Н. – Саратов, 2016. – 88 с. – № ГР 115031110093.

34. Байрамов, А.Н. Системный анализ напряжѐнно-циклического режима работы основного оборудования водородного энергетического комплекса в комбинировании с АЭС / А.Н. Байрамов // Труды Академэнерго. – 2017. – № 1. – С. 71–96.

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

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

37. 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.

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

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

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

41. Развитие научных основ построения водородных циклов в интеграции с влажно-паровыми АЭС (промежуточ.: оценка влияния циклических нагрузок на технико-экономические показатели оборудования водородного энергетического комплекса): отчѐт о НИР / Российская академия наук Саратовский научный центр Отдел энергетических проблем; рук. Аминов Р.З.; исполн.: Байрамов А.Н., Егоров А.Н. – Саратов, 2018. – 81 с. – № ГР 115031110093.

42. Прокопенко, А.В. Связь между диаграммой усталостного разрушения и кривой усталости / А.В. Прокопенко [и др.] // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». – 2012. – № 1. – С. 48.