Науковий вісник НГУ

Концепція створення маневреної енергетичної установки на базі малого модульного реактору

• 
• 

Рейтинг користувача:  / 0

ГіршийКращий 

Деталі

Категорія: Зміст №5 2024

Останнє оновлення: 29 жовтня 2024

Опубліковано: 30 листопада -0001

Перегляди: 36

Authors:

А. В. Русанов, orcid.org/0000-0002-9957-8974, Інститут проблем машинобудування імені А. М. Підгорного НАН України, м. Харків, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

А. О. Костіков, orcid.org/0000-0001-6076-1942, Інститут проблем машинобудування імені А. М. Підгорного НАН України, м. Харків, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

В. О. Тарасова*, orcid.org/0000-0003-3252-7619, Інститут проблем машинобудування імені А. М. Підгорного НАН України, м. Харків, Україна,  e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Р. А. Русанов, orcid.org/0000-0003-2930-2574, Інститут проблем машинобудування імені А. М. Підгорного НАН України, м. Харків, Україна,  e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

С. П. Третяк, orcid.org/0009-0008-1265-4227, АТ «Укргазвидобування», м. Харків, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

* Автор-кореспондент e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

повний текст / full article

Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2024, (5): 037 - 044

https://doi.org/10.33271/nvngu/2024-5/037

Abstract:

Мета. Розроблення маневреної енергетичної установки (МЕУ) на базі малого модульного реактора (ММР) NuScale шляхом вибору структури теплової схеми паротурбінної установки за умови використання мінімальної кількості додаткового обладнання й можливості її роботи в номінальному та піковому режимах із максимальною ефективністю, а також забезпечення її маневреності за рахунок використання водневих технологій для генерації, накопичення й повернення енергії до циклу паротурбінних установок (ПТУ).

Методика. У роботі було використано метод математичного моделювання термодинамічних циклів теплових схем ПТУ із зосередженими параметрами, які дозволяють описувати динаміку систем, що складаються з дискретних елементів, саме якими є термодинамічні системи.

Результати. Розроблені різні варіанти структури теплової схеми МЕУ на базі ММР NuScale для роботи в номінальному режимі та проведене їх математичне моделювання, а також порівняльний аналіз за енергетичною ефективністю. У результаті обрана схема й параметри режиму роботи з найбільшим електричним ККД (нетто), застосування якої дозволяє підвищити ККД (нетто) енергоустановки на базі ММР NuScale з анонсованого розробниками 28 до 32,8 %. Запропонована теплова схема МЕУ на базі ММР із системою накопичення енергії. Застосування цієї схеми дозволяє підвищити ККД (нетто) енергоустановки на базі ММР NuScale при роботі у піковому режимі до 34,8 %.

Наукова новизна. Запропоновані концепція створення та схемне рішення перспективної МЕУ на базі ММР, що здатна акумулювати електричну енергію. Основним новітнім рішенням щодо структури технологічної схеми МЕУ на базі ММР є організація її роботи в номінальному й піковому режимах, що принципово відрізняються за термодинамічним циклом. У номінальному режимі паротурбінна установка працює за термодинамічним циклом із сепарацією пари, а у піковому — без неї, завдяки підвищенню температури свіжої пари в результаті спалювання водню й кисню. Водень і кисень виробляються в електролізері під час роботи енергоустановки в номінальному режимі за рахунок використання «надлишків» згенерованої електроенергії.

Практична значимість. Малі модульні реактори наразі в основному знаходяться на стадії розроблення. Крім того, неядерній частині енергоустановки на базі ММР, а саме ПТУ, не приділяється достатньо уваги, про що свідчать літературні джерела. Але вона відіграє не останню роль в ефективності всієї установки. У роботі приділена увага вкрай актуальному питанню підвищення ефективності енергетичної установки на базі ММР шляхом розроблення структури теплової схеми ПТУ із залученням водневих технологій, що допоможе зменшити залежність від використання викопних вуглеводнів у загальному обсязі первинного палива та уможливить стале функціонування української енергетичної системи, а також сприятиме збереженню й поліпшенню стану довкілля.

Ключові слова: енергетична ефективність, теплова схема, термодинамічний цикл, накопичення енергії, водневі технології, електролізер

References.

1. Ho, M., Obbard, E., Burrb, P.A., & Yeoh, G. (2019). A review on the development of nuclear power reactors. Energy Procedia, 160, 459-466. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.02.193.

2. Kessler, G. (2012). Sustainable and safe nuclear fission energy technology and safety of fast and thermal nuclear reactors. Springer, 466. ISBN 978-3-642-11989-7.

3. World Nuclear Industry Status Report (2018). A Mycle Schneider Consulting Project, 289. Retrieved from https://www.worldnuclearreport.org/IMG/pdf/wnisr2018-v2-hr.pdf.

4. Nuclear Power Reactors in the World (2023). IAEA. Vienna, 102. Retrieved from https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/RDS-2-43_web.pdf.

5. Reactor Database (2024). World Nuclear Association Retrieved from https://world-nuclear.org/information-library/facts-and-figures/reactor-database.aspx.

6. Michaelson, D., & Jiang, J. (2021). Review of integration of small modular reactors in renewable energy microgrids. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 152, 111638. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111638.

7. Ingersoll, D.T. (2016). Small Modular Reactors. Nuclear Power Fad or Future? Elsevier Ltd. ISBN 978-0-08-100252-0.

8. Small Modular Reactors: Challenges and Opportunities (2021). Nuclear Technology Development and Economics, NEA: OECD, 7560, Retrieved from https://www.oecd-nea.org/jcms/pl_57979/small-modular-reactors-challenges-and-opportunities?details=true.

9. Advances in Small Modular Reactor Technology Developments (2018). IAEA, ARIS. Retrieved from https://aris.iaea.org/Publications/SMR-Book_2018.pdf.

10. Hussein, E. M. A. (2020). Emerging small modular nuclear power reactors: A critical review. Physics Open, 5, 100038. https://doi.org/10.1016/j.physo.2020.100038.

11. NuScale Power Schedules 2023 First Quarter Conference Call on May 9, 2023. Retrieved from https://www.nuscalepower.com/en/news/press-releases/2023/nuscale-power-schedules-2023-first-quarter-conference-call-on-may-9-2023.

12. Borissova, A., & Popov, D. (2020). An option for integration of Carnot Battery into a small Nuclear Power Plant. Thermal Equipment, Heat and Mass Transfer Processes. E3S Web of Conferences, 207, 01027. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020701027.

13. Norouzi, N., Talebi, S., & Najafi, P. (2020). Thermal-hydraulic efficiency of a modular reactor power plant by using the second law of thermodynamic. Annals of Nuclear Energy, 151, 107936. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2020.107936.

14. Khalid, F., & Bicer, Y. (2019). Energy and exergy analyses of a hybrid small modular reactor and wind turbine system for trigeneration. Energy Science and Engineering, 7, 2336-2350. https://doi.org/10.1002/ese3.327.

15. Wang, L., Yang, Y., Morosuk, T., & Tsatsaronis, G. (2012). Advanced Thermodynamic Analysis and Evaluation of a Supercritical Power Plant. Energies, 5(6), 1850-1863. https://doi.org/10.3390/en5061850.

16. Yang, Y., Wang, L., Dong, Ch., Xu, G., Morosuk, T., & Tsatsaronis, G.  (2013). Comprehensive exergy-based evaluation and parametric study of a coal-fired ultra-supercritical power plant. Applied Energy, 112(C), 1087-1099. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.12.063.

17. Bejan, A., & Tsatsaronis, G. (2021). Purpose in Thermodynamics. Energies, 14, 408-433. https://doi.org/10.3390/en14020408.

18. Olaniyi, O., Incer-Valverde, J., Tsatsaronis, G., & Morosuk, T. (2023). Exergetic and Economic Evaluation of Natural Gas/Hydrogen Blends for Power Generation. Journal of Energy Resources Technology, 145(6), 062701. https://doi.org/10.1115/1.4056448.

19. Ferroni, L., & Natale, A. (2018). Exergy Analysis of a PWR Nuclear Steam Supply System-Part I, General theoretical model. 73^rd Conference of the Italian Thermal Engineering Association (ATI2018), 12–14 September 2018, Pisa, Italy. Energy Procedia, 148(2018), 1230-1237. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2018.08.006.

20. Field, R. M. (2017). AM600: A New Look at the Nuclear Steam Cycle. Nuclear Engineering and Technology, 49(3), 621-631. https://doi.org/10.1016/j.net.2016.11.002.

21. Khan, A. H., Hossain, Sh., Hasan, M., Md. Islam, Sh., Md. Rahman, M., & Kim, J. H. (2022). Development of an optimized thermodynamic model for VVER-1200 reactor-based nuclear power plants using genetic algorithm. Alexandria Engineering Journal, 61(11), 9129-9148. https://doi.org/10.1016/j.aej.2022.02.052.

22. Minko, О. М., & Shevchenko, V. V. (2019). Heat utilization power station (Ukraine patent No. 135396).

23. Shutenko, М. А. (2010). A method for producing electrical energy with the simultaneous use of heat released during the fission of nuclear fuel and during the combustion of hydrocarbon fuel. (Ukraine patent No. 102096).

24. Yurin, V. E., & Egorov, A. N. (2018). Research of the efficiency of combining nuclear power plants with a multifunctional autonomous hydrogen energy complex. IOP Conference Series: Journal of Physics: Conference Series, 1111, 012024. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1111/1/012024.

25. Field, R. M. (2017). AM600: A New Look at the Nuclear Steam Cycle. Nuclear Engineering and Technology, 49(3), 621-631. https://doi.org/10.1016/j.net.2016.11.002.

26. Rusanov, A. V., Shubenko, A. L., Senetskyi, O. V., Babenko, O. A., & Rusanov, R. A. (2019). Heating modes and design optimization of cogeneration steam turbines of powerful units of combined heat and power plant. Energetika, 65(1), 39-50.

27. Mazur, A., Tarasova, V., Kuznetsov, M., & Kostikov, A. (2023). Development of a steam turbine rational thermal scheme for a small modular reactor power plant. IEEE 4 ^th KhPI Week on Advanced Technology, KhPI Week 2023 – Conference Proceedings, 141-146. https://doi.org/10.1109/KhPIWeek61412.2023.10312922.

28. Rusanov, А. V., Kostikov, А. О., Rusanov, R. А., Tarasova, V. О., Solovei, V. V., & Tretiak, S. P. (2024). Maneuverable power plant based on a small modular reactor with an energy storage system. (Ukraine patent No. 156084).

29. Rusanov, A. V., Lampart, P., Pashchenko, N. V., & Rusanov, R. A. (2016). Modelling 3D steam turbine flow using thermodynamic properties of steam IAPWS-95. Polish Maritime Research, 23(1), 61-67. https://doi.org/10.1515/pomr-2016-0009.

• < Попередня
• Наступна >