WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Обоснование оптимальных схем, характеристик и системной эффективности водородных надстроек на аэс с ввэр

На правах рукописи

Портянкин Алексей Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ СХЕМ, ХАРАКТЕРИСТИК
И СИСТЕМНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОДОРОДНЫХ НАДСТРОЕК
НА АЭС С ВВЭР

Специальность 05.14.01 – Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования

«Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Хрусталев Владимир Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Николаев Юрий Евгеньевич кандидат технических наук, доцент Малов Валерий Тимофеевич
Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных
электрических станций, г. Москва

Защита состоится 29 июня 2011 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77,
Саратовский государственный технический университет, корп. 1,
ауд. 159.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической
библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Отзыв на автореферат (в двух. экз.), заверенный печатью, просим
выслать по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, каф. ТЭС.

Автореферат разослан «27» мая 2011 г.

Автореферат размещен на сайте СГТУ http://www.sstu.ru. «27» мая 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ларин Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и объект исследования. В настоящее время одной из особенностей энергетики России является существенное количество работающих и находящихся в резерве турбоустановок, построенных еще в середине прошлого века, которые давно отработали свой расчетный срок службы. Это связано с тем, что за последние 10-15 лет практически не вводились в эксплуатацию новые электрические станции из-за трудной экономической ситуации в стране.

С ростом экономики и развитием промышленности может возникнуть дефицит электрических мощностей в энергосистемах, поэтому необходимо выводить из эксплуатации устаревшие турбоустановки и строить новые, современные электрические станции. Восполнить вывод электрических мощностей в ближайшие 5-8 лет можно в основном только за счет строительства АЭС, что подтверждается программой развития энергетической стратегии России на период до 2020 и 2030 года.

С дальнейшим ростом выработки электроэнергии на АЭС появится необходимость в увеличении доли их разгрузки, что связано с диспетчерскими ограничениями в часы провала графика электрических нагрузок, особенно в европейской части страны. Это приведет к снижению коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) и росту удельных затрат в производство электрической энергии, что весьма неэффективно. Поэтому к АЭС будут предъявляться следующие весьма актуальные требования:

– базовые режимы работы, в том числе в часы провала графика электрических нагрузок энергосистем;

– работа с повышенной электрической мощностью и КПД станции
в пиковые часы графика электрических нагрузок.

Один из способов повышения КИУМ на АЭС – это сооружение водородных надстроек (ВН), где базовые режимы работы обеспечиваются
за счет выработки водорода и кислорода в электролизных установках. Работа с повышенной мощностью и КПД турбоустановки АЭС может обеспечиваться за счет использования в тепловой схеме дополнительного количества пара, полученного при сжигании водорода в кислородной среде. В связи с этим актуальным является исследование и обоснование оптимальных схем, характеристик и системной эффективности водородных надстроек на АЭС с ВВЭР.

Связь диссертационной работы с приоритетными НИР. Данная диссертационная работа выполнялась на базе бюджетных фундаментальных научных исследований Отделения энергетики, механики, машиностроения и процессов управления РАН: «Обоснование приоритетных направлений развития энергогенерирующих мощностей с учетом обеспечения безопасности, устойчивого развития и долгосрочных интересов страны» 2006 – 2008 гг.; «Разработка научных основ повышения коэффициента использования установленной мощности АЭС в энергосистеме» 2009 – 2011 гг.; в рамках гранта РФФИ «Разработка научных основ построения водородных циклов на АЭС» 2007 – 2009 гг.

Цель диссертационной работы – обоснование оптимальных схем, характеристик и системной эффективности водородных надстроек на АЭС с ВВЭР.

Основные задачи диссертации:

1 Разработка метода анализа эффективности водородной надстройки АЭС с ВВЭР с учетом особенностей термодинамических циклов основного и дополнительного рабочих тел.





2 Обоснование стоимостных показателей и выбор электролизного оборудования основного комплекса водородной надстройки на АЭС
по показателю себестоимости водорода и затрат в его производство.

3 Разработка новых схем водородных надстроек на АЭС и анализ
их эффективности с учетом комплекса системных факторов.

4 Обоснование физического метода раздельного расчета и сравнения себестоимости водорода и кислорода, полученных электролизом на АЭС
и другими способами.

5 Оценка эффективности водородных надстроек на АЭС и ГАЭС
для покрытия переменных графиков электрических нагрузок с учетом пиковых тарифов на электроэнергию в условиях долгосрочных прогнозов.

Направления исследований. Работа направлена на исследование
и обоснование оптимальных схем, характеристик и системной эффективности водородных надстроек на АЭС с ВВЭР.

Методы исследования: методы анализа термодинамической эффективности циклов влажно-паровых АЭС; методика оценки и обоснования технико-экономических показателей в энергетике; методика оценки надежности и расчета безопасного расстояния по действию воздушных ударных волн.

Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы обоснована использованием апробированных и широко распространенных в энергетике методик расчета термодинамической эффективности циклов влажно-паровых АЭС, системного технико-экономического анализа экономичности энергокомплексов, методик расчета безопасного расстояния по действию воздушных ударных волн,
а также приемлемой сопоставимостью основных результатов данной работы с результатами других авторов.

На защиту выносятся:

1 Метод анализа эффективности водородной надстройки АЭС с ВВЭР с учетом особенностей термодинамических циклов основного и дополнительного рабочих тел.

2 Результаты выбора рациональных типов электролизеров для водо-

родной надстройки на АЭС по показателю себестоимости водорода и затрат в производство водорода.

3 Схемные решения водородных надстроек на АЭС с учетом комплекса системных факторов.

4 Физический метод расчета себестоимости водорода и кислорода,
полученных электролизом и сравнение технико-экономической эффективности получения этих продуктов на АЭС с риформингом газа и разделением воздуха.

5 Результаты технико-экономического сопоставления АЭС с водородной надстройкой и ГАЭС для покрытия переменных графиков электрических нагрузок с учетом пиковых тарифов на электроэнергию в условиях долгосрочных прогнозов.

Научная новизна:

1 Обоснованы дополнительные критерии и коэффициенты, оценивающие эффективность работы водородной надстройки в составе АЭС
с ВВЭР с учетом особенностей термодинамических циклов основного
и дополнительного рабочих тел;

2 Разработан метод оценки себестоимости водорода и кислорода
различной чистоты при электролизе, позволяющий сопоставить электролиз
по эффективности с производством этих продуктов другими способами;

3 Предложены приоритетные схемы водородных надстроек на действующих и проектируемых АЭС, повышающие их эффективность,
в том числе за счет: вытеснения паропарового перегрева, повышения
температуры пара перед ЦВД и ЦНД и использования переменной концентрации тяжелой воды в обычном водном теплоносителе;

4 Обоснована вынесенная схема компоновки водородо-кислородного парогенератора на АЭС взамен встроенной, что удовлетворяет требованию МАГАТЭ к современным реакторным установкам по непревышению частоты аварий с плавлением активной зоны.

Практическая значимость результатов диссертационной работы.

Произведенные расчетные оценки экономической эффективности водородных надстроек на АЭС показали условия, при которых необходимо сооружать их в целях коммерческой продажи водорода и кислорода
и (или) с их помощью вырабатывать пиковую электроэнергию.

Производство водорода и кислорода за счет использования внепиковой электроэнергии электролизом воды позволяет попутно получать тяжелую воду, которая может эффективно использоваться на АЭС с ВВЭР как компонент теплоносителя.

Схема компоновки водородо-кислородного парогенератора на АЭС
в отдельном здании должна использоваться для действующих, так и перспективных АЭС, что удовлетворяет требованиям МАГАТЭ к современным и перспективным реакторным установкам. Сооружение отдельного здания не приведет к серьезной реконструкции турбинного отделения
по сравнению с встроенной компоновкой водородо-кислородного
парогенератора. Присоединение паропровода от водородо-кислородного парогенератора к основному паропроводу турбины в этом случае можно осуществить в период планового ремонта турбоустановки и в короткие сроки.

Разработанная методика разделения себестоимости водорода и кислорода может быть использована в составе многопродуктовой модели экономической эффективности на энергопредприятиях, включая энергокомплексы производящие водород и кислород электролизом воды.

Разработанные схемы и методики анализа АЭС с водородной надстройкой могут использоваться в учебном процессе, аспирантами в НИР и студентами в дипломном проектировании, а также при проектировании оборудования перспективных АЭС.

Апробация результатов диссертационной работы. Изложенные
в диссертации материалы докладывались: на внутривузовских конференциях молодых ученых СГТУ в 2007, 2008 гг.; на Международных научных конференциях «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» в г. Саратове 29-31 октября 2008 г. и 26-29 октября 2010 г.

Публикации. По исследуемой проблеме опубликованы 6 печатных работ, в том числе 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ, получен
1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, направление дальнейших исследований, список использованных источников, включающий 140 наименований, содержит 37 рисунков, 30 таблиц. Объем диссертации составляет 142 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы.

В первой главе дан анализ работ, выполненных по теме диссертации. Приведены основные характеристики водорода как топлива. Приведены требования, предъявляемые к водороду и кислороду различной частоты. Показаны рыночные цены на водород и кислород различной чистоты. Приведены стоимостные показатели производства водорода различными методами. Анализируются современные разработки получения водорода электролизом воды. Проведен общий анализ безопасности при получении, транспортировании, хранении и использовании водорода и кислорода. Рассмотрены способы хранения и транспорта водорода. Анализируются схемы использования водорода и кислорода на АЭС.

Выполненный обзор по исследованию и обоснованию оптимальных схем, характеристик и системной эффективности водородных надстроек
на АЭС с ВВЭР выявил некоторые недостатки в имеющихся
научных подходах к решению указанной задачи. Не в полной мере
обосновываются системные технико-экономические решения, требует
доработки и уточнения многофакторная экономико-энергетическая
модель анализа эффективность атомно-водородной энергетики на базе АЭС с ВВЭР. Не учтена наблюдаемая динамика стоимостных исходных (базовых) данных. В связи с этим поставлены цель и основные задачи
диссертации.

Во второй главе приводятся результаты расчета схем с производством и использованием водородных технологий на АЭС. Рассмотрены
схемы с вытеснением паропарового перегрева пара на АЭС, позволяющие получать дополнительную электрическую мощность за счет водородных технологий. Рассмотрены схемы с получением слабоперегретого
свежего пара. Предложены и обоснованы критерии и коэффициенты,
характеризующие эффективность работы водородной надстройки
в составе АЭС с ВВЭР. Разработана схема использования электролиза на АЭС для повышения эффективности топливоиспользования.

Схемы с вытеснением паропарового перегрева пара на АЭС с водородной надстройкой позволяют повысить электрическую мощность турбины АЭС в диапазоне от 1070 до 1100 МВт.

Рассмотрена схема АЭС с водородной надстройкой при повышении температуры пара перед ЦНД (рис. 1).





Рис. 1 Схема АЭС с водородной надстройкой
и повышением температуры пара перед ЦНД:

1 – ЦНД; 2 – электрогенератор; 3 – конденсатор; 4 – бак-аккумулятор;
5 – блок электролизеров; 6, 7 – хранилище водорода и кислорода;
8 – камера сгорания

Предложено в таких схемах оценивать общий КПД использования водорода на АЭС с помощью нескольких КПД и коэффициентов, для условно выделенных процессов, составляющих общий цикл АЭС. Метод анализа эффективности водородной надстройки АЭС с ВВЭР с учетом особенностей термодинамических циклов основного и дополнительного рабочих тел приведен ниже.

1) Коэффициент рекуперации электроэнергии:

, (1)

где – дополнительно полученная электрическая мощность, МВт;
– затраченная мощность на получение водорода, МВт;, – количество часов работы в пиковое и ночное время, ч/год.

2) КПД использования водородо-кислородной смеси:

, (2)

где – теплота, образованная при сгорании водорода в кислородной смеси при стехиометрическом соотношении, МВт(т);
– расход пара, образовавшегося в результате сжигания Н2, кг/с; =1,3104 – низшая теплота сгорания, (кДж/кг) относится к 1 кг продукта реакции горения – водяному пару.

3) Коэффициент смешения в камере сгорания Н2/О2-парогенератора:

, (3)

где – теплота, полученная в Н2/О2-паро-генераторе после охлаждения впрыском воды, МВт(т); – теплота, подведенная с охлаждающей водой, МВт(т); – дополнительное количество пара, кг/с; – количество охлаждающей воды, кг/с; – энтальпия пара после камеры сгорания Н2/О2-парогенератора, кДж/кг.

4) КПД брутто АЭС с водородной надстройкой:

, (4)

где – базовая мощность турбоустановки, МВт; – теплота, подведенная к парогенератору, МВт(т).

Теплота, полученная в Н2/О2-парогенераторе, в цикле АЭС условно делится на две части:

+, (5)

где – теплота, подведенная к базовому циклу, которая участвует в нем полностью, МВт(т); – расход пара на турбоустановку (базовый), кг/с; – энтальпия пара перед турбоустановкой
в результате смешения с паром из Н2/О2-парогенератора, кДж/кг; – базовая энтальпия пара перед турбоустановкой, кДж/кг; – теплота избыточного рабочего тела, подведенная к циклу, МВт(т).

Полученная дополнительная мощность делится на две части:

=+, (6)

где = – часть электрической мощности, полученной при работе дополнительного количества пара в ЦНД, МВт;
– энтальпия пара перед конденсатором, кДж/кг; – часть дополнительной электрической мощности, получаемая в результате повышения параметров пара, МВт.

5) Коэффициент энергоэффективности дополнительного потока пара, после смешения с основным паром, отводимого из цикла за конденсатором:

. (7)

6) Коэффициент термодинамического совершенствования цикла
(за счет повышения параметров пара):

. (8)

7) Коэффициент термодинамического совершенствования всего цикла АЭС (за счет повышения параметров пара):

. (9)

8) Коэффициент использования дополнительного потока пара, отнесенный к циклу АЭС:

. (10)

Результаты расчетов повышения температуры пара перед ЦНД
на 20 °C в зависимости от полученной температуры в камере сгорания
550 и 800 °C приведены в (табл. 1).

Из табл. 1 видно, что наибольший вклад в снижение эффективности АЭС с водородной надстройкой в таких схемах (рис. 1) с последовательным смешением пара сначала в камере сгорания с охлаждающей водой
и, затем, с основным потоком пара перед ЦНД, вносит охлаждающая вода, т.к. составляет 75 – 78 % от.

Например, для того чтобы КПД брутто АЭС с водородной надстройкой равнялся базовому КПД АЭС %, температура пара после камеры сгорания должна быть 800 °С, а температура пара
перед ЦНД – 270 °C.

Таблица 1

Основные результаты расчетов эффективности АЭС с водородной

надстройкой при повышении температуры пара перед ЦНД на 20°С

Параметр Температура пара после камеры сгорания, C
550 800
, МВт 85,5 56,2
, МВт 315,6 188,2
,% 27,1 29,9
, % 37,3 41,1
, кг/с 17,6 10,0
62,2 31,1
, кг/с 79,8 41,1
,% 29,9 32,9
, % 32,7 33
, МВт(т) 48,1
, МВт 25,1
, МВт(т) 237,9 122,5
, МВт 60,5 31,1
, % 52,2
, % 25,4
,% 33,3
,% 32,5 32,7

В табл. 2 приведены результаты расчетов схемы АЭС на слабоперегретом паре при использовании водородных технологий согласно (рис. 2).

Таблица 2

Характеристики турбины К-1000-60/1500 на слабоперегретом паре
с дополнительной подачей пара в голову турбины

Основные параметры Температура ТСМ/ТПП, 0C
280/255 285/260
Расход дополнительного количества пара ДДОП, кг/с 63,7 113,7
Увеличение электрической мощности N, МВт 65 118
Увеличение внутреннего относительного КПД ЦВД/ЦНД, % 0,6/0,2 1/0,38
КПД использования водородо-кислородной смеси, % 35,5 36,1

Рис. 2. Схема АЭС с водородной надстройкой на слабоперегретом паре:

1 – ПГ; 2 – цилиндр высокого давления (ЦВД); 3 – цилиндр низкого давления (ЦНД);
4 – сепаратор; 5, 6 – первая и вторая ступень пароперегревателя (ПП); 7 – электрогенератор; 8 – конденсатор; 9 – блок электролизеров; 10, 11 – хранилище водорода и кислорода; 12 – камера сгорания; 13 – бак-аккумулятор

Предложена схема использования электролиза на АЭС для повышения эффективности топливоиспользования. На рис. 3 приведен способ работы АЭС с водоводяными энергетическими ядерными реакторами с удлиненным топливным циклом на основе патента № 2361298.

Рис. 3. Способ работы АЭС с водоводяными энергетическими

ядерными реакторами (патент РФ № 2361298):

1-4 – реакторы, 5-8 – буферные емкости, 9 – электролизная установка

Предлагаемый способ позволяет уменьшить расход обычной воды, используемой для продувки а.з. реакторов, за счет использования многократно одной и той же воды для продувки нескольких реакторов, снизить затраты на получение тяжелой воды, за счет использования её в качестве замедлителя а.з. реакторов, после продувки обогащая ее до нужной концентрации, используя при этом электроэнергию этой же станции в периоды минимума электрической нагрузки, исключив, тем самым, затраты
на транспортировку тяжелой воды с мест ее производства.

Следовательно, рассмотренные схемы позволяют повысить системную эффективность АЭС с водородными технологиями.

В третьей главе произведен выбор электролизного оборудования
и произведена укрупненная оценка надежности и безопасности всего комплекса водородной надстройки. Рассмотрена схема хранения и транспорта водорода и кислорода на АЭС. Показана методика расчета затрат
и себестоимости на получение водорода, по которой выбраны электролизеры, работающие под давлением. Произведена оценка надежности и безопасности АЭС и всего комплекса водородной надстройки на основании расчета безопасного расстояния по действию воздушных ударных волн при взрыве водорода. Предложена методика оценки надежности и безопасности АЭС при взрыве водорода по вероятной частоте аварий с плавлением активной зоны.

Схема хранения и транспорта водорода и кислорода на АЭС приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема хранения и транспорта водорода и кислорода:

вариант 1 –электролизеры ФВ-500; варианты 2 – электролизеры под давлением

1 – электролизная установка; 2 – компрессор водорода и кислорода;
3 – хранилище водорода и кислорода; 4 – дожимной компрессор;

5 – потребитель водорода и кислорода; 6 – холодильник (газоохладитель) поршневых компрессоров; 7 – охлаждающая вода

Расчет затрат и себестоимости на получение водорода по рис. 4 выполнен по общепринятым технико-экономическим показателям, результаты расчета представлены на рис. 5.

Рис. 5 Затраты и себестоимость получения водорода на АЭС:

вариант 1 – удельные капиталовложения в электролизер ФВ-500 60 тыс. руб./1м3/ч Н2; варианты 2.1–2.5 66–90 тыс. руб./1м3/ч Н2 (электролизеры под давлением)

Из анализа рис. 5) можно сделать вывод, что при увеличении количества часов использования для электролизеров, работающих под давлением, себестоимость водорода снижается значительнее, чем для электролизеров, работающих при атмосферном давлении. Поэтому целесообразно использовать электролизеры под давлением.

Расчет безопасного расстояния по действию воздушных ударных
волн при взрыве водорода выполнен по общепринятой методике в пересчете на тротиловый эквивалент вещества, результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3

Безопасное расстояние объектов водородной надстройки до АЭС

Объект водородной надстройки Безопасное расстояние, м
Электролизный цех 125
Здание водородо-кислородного парогенератора 125
Трубопровод водорода 125
Хранилище водорода 2130

Методика и оценка надежности и безопасности АЭС при взрыве водорода приведена ниже.

Для оценки надежности АЭС воспользуемся показателем дополнительно привносимого при взрыве водорода на АЭС вклада в частоту плавления активной зоны (ПАЗ), (реакт.·год)-1:

– при расположении водородо-кислородного парогенератора в турбинном отделении

, (11)

где = 0,02 – 0,1 (год)-1 – принятая частота взрыва водорода на АЭС с водородной надстройкой, (год)-1; – вероятность автоматических защит включится и штатно отработать по предотвращению аварии с ПАЗ на 1 одном блоке АЭС;

– при расположении водородо-кислородного парогенератора в отдельном здании

, (12)

где – вероятность автоматических защит включиться и штатно отработать в здании водородо-кислородного парогенератора и примыкающих участках паропроводов до турбинного отделения главного корпуса АЭС.

Для варианта 1 расположения водородо-кислородного парогенератора в турбинном отделении принята от 0,9999 до 0, исходя из того,
что последствия взрыва на АЭС могут быть различными: от полного
или частичного разрыва основного паропровода в турбинном отделении, до полного разрушения главного корпуса АЭС включая вышесказанную автоматическую защиту.

Для варианта 2 вероятность отсечь в здании водородо-кислородного парогенератора паропровод дополнительного количества пара в зависимости от последствий взрыва принята от 0,99 до 0. Вероятность аварийной защиты отсечь паропровод дополнительного количества пара перед турбинным отделением и в нем = 0,99. Таким образом при несрабатывании аварийной защиты на паропроводе произойдет утечка основного пара в здание Н2/О2-парогенератора и(или) в окружающую среду,
т.е. разрыв основного паропровода. В данном варианте 2 от 0,9999 до 0,999, т.к. здание водородо-кислородного парогенератора находится
на безопасном расстоянии и последствия взрыва не приведут к разрушению главного корпуса АЭС.

Таким образом, в варианте 1 для = 0,02 (реакт.·год)-1 можно принять оценочно крайний оптимистичный сценарий развития последствий взрыва = 2·10-6 (реакт.·год)-1, а в варианте 2 для = 0,1 (реакт.·год)-1 даже при наиболее консервативной оценке пессимистичный сценарий = 1·10-6 (реакт.·год)-1.

Для энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000 в России частота аварий
с плавлением активной зоны (ПАЗ), обоснованная вероятностным
анализом безопасности (ВАБ), имеет приемлемо низкое значение. Поэтому, для варианта 2 даже при крайней пессимистичной оценке величины АЭС с водородной надстройкой =
= 10-5 (реакт.·год)-1, что удовлетворяет современным рекомендациям
МАГАТЭ и, напротив, вариант 1 с встроенным водородо-кислородным парогенератором в турбинном отделении даже при наиболее оптимистичном подходе не соответствует этим рекомендациям.

В четвертой главе рассмотрена системная эффективность водородных надстроек на АЭС с ВВЭР. Оценена эффективность производства водорода и кислорода на АЭС методом электролиза воды в сравнении с другими методами. Предложен физический метод разделения себестоимости водорода и кислорода при электролизе воды. Проведены технико-экономические расчеты разных методов получения водорода и кислорода. Произведено сравнение тарифов на пиковую электроэнергию от водородной надстройки на АЭС и от энергосистемы. Осуществлена оценка эффективности водородных надстроек на АЭС и ГАЭС для покрытия переменных графиков электрических нагрузок с учетом прогнозов роста пиковых тарифов на электроэнергию.

Для определения системной эффективности предложена экономико-энергетическая модель АЭС с водородной надстройкой, которая представлена на рис. 6.

Рис. 6. Предложенная экономико-энергетическая модель АЭС с водородной надстройкой:

а – производство водорода и кислорода; б – производство пиковой электроэнергии
1 – АЭС; водородная надстройка 2 – 5: 2 – электролизный цех; 3 – транспорт
водорода и кислорода; 4 – хранилища водорода и кислорода;5 – здание водородо-кислородного парогенератора; альтернатива водородной надстройки 6 – 8:
6 – риформинг природного газа; 7 – разделение воздуха; 8 – ГАЭС;

9 – получение и использование тяжелой воды на АЭС (патент РФ № 2361298).

Для оценки эффективности производства водорода и кислорода на АЭС методом электролиза воды в сравнении с другими методами в работе обоснован метод разделения себестоимости водорода и кислорода при электролизе.

Рыночная цена 1 кг высокотемпературного пара с температурой более
3000 °С, полученного при горении водорода в кислородной среде, будет равна

, (13)

где =0,11, = 0,88 – доли массы водорода и кислорода, отнесенные к 1 кг воды (пара); = 13000–14000, = 238–560 – рыночные цены на водород и кислород чистотой 99,999 %, руб./кг; – средняя цена 1 кг возвратного продукта пара, руб./кг.

Доли цены водорода и кислорода, отнесенные к цене 1 кг высокотемпературного пара:

;, (14)

Затраты на водород и кислород, отнесенные к цене 1 кг воды (пара), руб.:

;, (15)

где – затраты на получение водорода и кислорода электролизом (затраты в получение высокотемпературного пара из Н2 и О2), руб..

Себестоимость водорода и кислорода, руб./нм3(кг):

;, (16)

где, – объем и масса запасенного водорода и кислорода в течение года, нм3(кг).

Проведенное технико-экономическое сопоставление предложенной экономико-энергетической модели (рис. 6 – вариант а) показало, что устойчивая конкурентоспособность электролиза будет наблюдаться в ближайшей перспективе при следующих условиях – консервативный подход: цена природного газа 300 долл./1000 м3 (для получения водорода методом риформинга); цена электроэнергии 1,5 руб./кВт·ч (ночной тариф для получения кислорода разделением воздуха).

Сравнение пиковых тарифов на электроэнергию от водородной над-стройки на АЭС и тарифов на пиковую энергию от энергосистемы в условиях долгосрочных тарифных прогнозов, показало, что в ближайшие
5-7 лет целесообразно начинать коммерческую продажу пиковой электроэнергии от данного источника.

Произведена оценка эффективности водородных надстроек на АЭС
в сравнении с ГАЭС для покрытия переменных графиков нагрузок по экономико-энергетической модели (рис. 6 – вариант б) для покрытия переменных графиков нагрузок. При этом учтена динамика изменения пиковых тарифов на электроэнергию в условиях долгосрочных прогнозов. Результаты расчетов показали, что водородные надстройки станут устойчиво конкурентоспособными по сравнению с ГАЭС, начиная с 2025–2028 года.

Дополнительно рассмотрен вариант комбинирования водородных надстроек с ГАЭС при условии обеспечения базовой нагрузкой АЭС в ночное время и выработки пиковой электроэнергии от ГАЭС, а для водородной надстройки только производство и продажа водорода и кислорода. При комбинировании водородных надстроек с ГАЭС результаты представлены в табл. 4.

Таблица 4

Исходные данные и результаты расчета эффективности
комбинирования водородных надстроек с ГАЭС

Показатель Вариант
ГАЭС + ВН ВН + риформинг метана
+ разделение воздуха
ГАЭС ВН ВН риформинг метана разделение воздуха
Срок строительства, год 5 3 3
Удельные капиталовложения, тыс.руб./кВт: 45 85 85 30 17,1
Начало строительства, год 2015 2017 2017
Ввод в эксплуатацию, год 2020
Горизонт расчета, год 2030
ЧДД, млрд. руб. 3,6 1,4
Срок окупаемости, лет 10 10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Использование водородных надстроек на действующих АЭС
для уплотнения графиков электрических нагрузок и покрытия пиков
в энергосистеме позволяет повысить электрическую мощность турбины АЭС в диапазоне: в случае вытеснения паропарового перегрева
до 1070–1100 МВт; в случае введения легкого перегрева свежего и повышения температуры промежуточного пара до 1120 МВт. В условиях экономики России системный эффект состоит в росте КИУМ, вытеснении природного газа на ПГУ, ГТУ и ТЭС и снижении выбросов углекислого газа в виде дополнительных валютных поступлений от экспорта газа
и продажи квот на выбросы.

2 Разработан метод анализа эффективности водородной надстройки на АЭС с ВВЭР с учетом особенностей основного и дополнительного термодинамических циклов на основе предложенных дополнительных КПД
и коэффициентов. Метод позволяет оценить отдельно работу стороннего пара, отводимого из цикла АЭС, а также его эффективность на АЭС с водородной надстройкой. Эффект от внедрения водородной надстройки
на действующей АЭС с ВВЭР возникает и растет в сравнении с базовым циклом при его КПД 33 % при повышении температуры пара перед ЦНД на 20 0С, что соответствует температуре пара в водородо-кислородном парогенераторе – 800 0С.

3 Предложена и обоснована расчетами вынесенная схема компоновки водородо-кислородного парогенератора на АЭС взамен встроенной, что удовлетворяет требованию МАГАТЭ к современным реакторным установкам по непревышению интенсивности плавления активной зоны
10-5 (реакт.·год)-1. В диссертации рассмотрены и рекомендованы к применению только такие вынесенные схемы.

4 Разработана схема АЭС с водородной надстройкой с учетом системных факторов, которые позволяют повысить эффективность. Так, предложено попутное производство при электролизе тяжелой воды с использованием ее на многоблочной АЭС как компонента теплоносителя с переменной концентрацией, что позволяет улучшить эффективность топливоиспользования.

5 Обоснован выбор электролизного оборудования основного комплекса водородной надстройки на действующих АЭС только по показателю затрат и себестоимости водорода. Выбраны электролизеры, работающие под давлением. Проведенное технико-экономическое сравнение производства водорода и кислорода электролизом на АЭС в сравнении с другими основными методами их получения показало, что устойчивая конкурентоспособность электролиза будет наблюдаться в ближайшей перспективе при следующих условиях – консервативный подход: цена природного газа 300 долл./1000 м3 (для получения водорода методом риформинга); цена электроэнергии 1,5 руб./кВт·ч (ночной тариф для получения кислорода разделением воздуха). Для этого предложен физический метод раздельного расчета себестоимости водорода и кислорода при электролизе.

6 Выполнено сопоставление тарифов на пиковую электроэнергию
от водородной надстройки на АЭС с тарифами на пиковую электроэнергию от энергосистемы в условиях долгосрочных прогнозов, показывающее, что в ближайшие 5-7 лет целесообразно начинать коммерческую продажу пиковой электроэнергии от данного источника.

7 Произведенное прогнозное технико-экономическое сравнение водородной надстройки на АЭС и альтернативной ГАЭС для покрытия переменных графиков нагрузок показало, что водородные надстройки станут устойчиво конкурентоспособными, начиная с 2025–2028 года, а при комбинировании ГАЭС и водородных надстроек с 2020 года.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Портянкин А. В. Новые подходы повышения электрической мощности АЭС с ВВЭР при применении водородных технологий / М. К. Крылов, А. В. Портянкин // Проблемы энергетики. – Казань: Изд-во Казан. гос. энерг. ун-та, 2006, № 7-8. С.110-114.

Патент

2 Пат. № 2361298 Российская Федерация, МПК G 21 D 3/10.
Способ работы АЭС с водо-водяными энергетическими ядерными
реакторами / В.А. Хрусталев, А.И. Баженов, А.В. Портянкин,
П.В. Данилов – №2007144948/06; заявл. 03.12.07; опубл. 10.07.09,
Бюл. № 19. – 2 с.

Публикации в других изданиях

3 Портянкин А. В. Эффективность использования дополнительного количества пара, полученного в водородной надстройке на АЭС с ВВЭР-1000 // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб. науч. тр. Вып. 4. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2006. С. 66-71.

4 Портянкин А. В. Вопросы эффективности водородного производства на базе энергии АЭС / В. А. Хрусталев, А. В. Портянкин // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб. науч. тр. – Вып. 4. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2006. С. 62-66.

5 Портянкин А. В. Схемно-параметрическое совершенствование энергоблоков АЭС с реактором ВВЭР-1000 на основе водородных
технологий // Молодые ученые – науке и производству : материалы конф. молодых ученых / СГТУ. – Саратов, 2007. С. 176-179.

6 Портянкин А. В. Использование водородных технологий для повышения температуры пара перед турбоустановкой АЭС с ВВЭР-1000 /
В. А. Хрусталев, А. В. Портянкин // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. – Саратов: СГТУ, 2008. С.32-36.

7 Портянкин А. В. Выбор системы хранения и транспортировки водорода и кислорода на площадке АЭС // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: Сб. науч. тр. Вып. 5. – Саратов: Изд-во Сарат.
ун-та, 2008. С. 65-73.

Подписано в печать 25.05.11 Формат 6084 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,16 (1,25) Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 100 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Тел.: 24-95-70; 99-87-39, е-mail: izdat@sstu.ru



 


Похожие работы:

«Кочнов Олег Юрьевич научно - технологическое РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА РАДИОНУКЛИДА МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 99 Мо И МОЛИБДЕН-ТЕХНЕЦИЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ПОМОЩЬЮ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО РЕАКТОРА ВВР-Ц Специальность 05.14.03 Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва - 2011 Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии...»

«ПОРТНЯГИН Андрей Владимирович ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ 0,4 кВ ПРИ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ Специальность 05.14.02 – Электростанции и электроэнергетические системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Иркутск – 2007 Работа выполнена в ГОУ ВПО Читинский государственный университет на кафедре Электроснабжение. Научный руководитель доктор технических наук, профессор Суворов Иван...»

«Буваков Константин Владимирович СВОЙСТВА МИНЕРАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ТЕХНОЛОГИЯМ ТОПЛИВОСЖИГАНИЯ 05.14.14. – тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Томск – 2007 Работа выполнена в ГОУ ВПО Томский политехнический университет Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Заворин А.С. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор...»

«УДК 662.997:537.22. НУРМАТОВ ШАВКАТ РАСУЛМАТОВИЧ РАЗРАБОТКА однозеркальных солнечных высокотемпературных технологических установок и технологии СИНТЕЗА КАРБИДОВ 05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата...»

«Киселева Ирина Владимировна ИССЛЕДОВАНИЕ В РЕАКТОРЕ МИР ПОВЕДЕНИЯ ТВЭЛОВ ВВЭР-1000 В УСЛОВИЯХ, МОДЕЛИРУЮЩИХ II И III СТАДИИ ПРОЕКТНОЙ АВАРИИ БОЛЬШАЯ ТЕЧЬ Специальность 05.14.03 – ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Димитровград – 2010 Работа выполнена в открытом акционерном обществе Государственный научный центр - Научно-исследовательский...»

«Косов Андрей Викторович ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПАРА НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ КОНДЕНСАТООТВОДЧИКОВ Специальность: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Саратов 2012 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет имени...»

«ТРОФИМОВ Андрей Сергеевич РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2009 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический университет. Научный руководитель: доктор...»

«ЛАТЫПОВ ДАМИР ДАМИРОВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ И УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ УПРАВЛЯЕМУЮ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧУ 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2009 Работа выполнена на кафедре Электроэнергетические системы Государственно образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский энергетический институт (Технический университет)...»

«ВАСИЛЬЕВ Владимир Владимирович разработка автоматики комплексного аварийного управления нагрузкой Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2011 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический университет Научный руководитель:...»

«Плешанов Константин Александрович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА СЖИГАНИЯ ТОПЛИВ С УМЕРЕННЫМ КОНТРОЛИРУЕМЫМ ХИМИЧЕСКИМ НЕДОЖОГОМ Специальность 05.14.14 – Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2010 Работа выполнена на кафедре Парогенераторостроения Московского энергетического института (технического университета) Научный руководитель: доктор...»

«ГАВРЮТИН АНДРЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ВЫДЕРЖКИ ВЫГРУЖЕННОГО ИЗ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК ОБЛУЧЁННОГО ТОПЛИВА Специальность 05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2008 Работа выполнена в Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете) Научный руководитель: доктор технических наук, профессор...»

«Чернобаева Анна Андреевна Обоснование моделей радиационного охрупчивания материалов корпусов реакторов и процедуры их применения для оценки состояния эксплуатирующихся корпусов реакторов Специальность 05.14.03- ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание степени доктора технических наук Автор Москва 2009 Работа выполнена в Институте реакторных материалов и технологий Российского научного...»

«БАЙРАМОВ Артём Николаевич ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНТЕГРАЦИИ АЭС С ВОДОРОДНЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ Специальность 05.14.01 – Энергетические системы и комплексы Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Саратов 2010 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Аминов Рашид Зарифович...»

«Айзатулин Амир Исмаилович СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ АСУ ТП ЭНЕРГОБЛОКА АЭС И СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРУЮЩИХ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ Специальность 05.14.03. – ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2006 Работа выполнена в ОАО Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации...»

«КУХАРЬ Сергей Витальевич ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОЛОГИИ ВАБ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕГЛАМЕНТА ЭНЕРГОБЛОКА №1 ЛЕНИНГРАДСКОЙ АЭС Специальность 05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2009 Работа выполнена на Ленинградской АЭС Научный руководитель: кандидат технических наук...»

«Дерий Владимир Петрович ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ Специальности: 05.14.14 – Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты 05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Иваново 2008 Работа выполнена на кафедре атомных электрических станций ГОУВПО...»

«Латыпов Руслан Назымович ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ БЕРИЛЛИЯ ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ ДО ВЫСОКОЙ ПОВРЕЖДАЮЩЕЙ ДОЗЫ Специальность: 05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва, 2012 Работа выполнена в отделении реакторного материаловедения ОАО Государственный научный центр Научно-исследовательский институт атомных реакторов (ОАО ГНЦ НИИАР) Научный...»

«МУРАДАЛИЕВ АЙДЫН ЗУРАБ ОГЛЫ МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК специальность: 05.14.02 – электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими. АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Б А К У - 2002 Работа выполнена в...»

«ЛЯНЗБЕРГ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ РАЗРАБОТКА И ВЫБОР СТРУКТУРЫ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2010 г. Работа выполнена на кафедре Электроэнергетические системы Московского Энергетического института (Технического университета). Научный руководитель: доктор технических наук,...»

«УДК 621.039.5 Федосов Александр Михайлович ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УРАН-ЭРБИЕВОГО ТОПЛИВА РБМК И СОПРОВОЖДЕНИЕ ЕГО ВНЕДРЕНИЯ НА АЭС Специальность 05.14.03 Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук МОСКВА-2008 Работа выполнена в Институте ядерных реакторов Российского Научного Центра Курчатовский...»






 
2014 www.avtoreferat.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.