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

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.

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

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

3. . 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.

4. . 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.

5. . 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.

6. . 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.

7. . 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.

8. . 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.

9. . 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.

10. . 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.

11. . 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.

12. . 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.

13. . 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.

14. . 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.

15. . 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.

16. . 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.

17. . 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.

18. . 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.

19. . 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.

20. . 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.

21. . 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.

22. . 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.

23. . 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.

24. . 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.

25. . 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.

26. . 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.

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

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

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

30. . 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.

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

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

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

34. . 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.

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

36. . 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.

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

38. . 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.

39. . 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

40. . 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.

41. . 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.