авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Эффективность интеграции аэс с водородным энергетическим комплексом

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

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
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Хлебалин Юрий Максимович кандидат технических наук, старший научный сотрудник Болдырев Виталий Михайлович
Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных электрических станций (г. Москва)

Защита состоится 20 апреля 2010 г. в 10 00 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 высылать по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, каф. ТЭС.

Автореферат разослан и размещён на сайте СГТУ http://www.sstu.ru

« 19 » марта 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ларин Е. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и объект исследования

В настоящее время и ближайшие несколько десятилетий главная роль в обеспечении энергетической безопасности и стабильности в нашей стране будет принадлежать тепловой и атомной энергетике.

Программой развития атомной энергетики России до 2020 г. предусмотрено существенное увеличение доли АЭС в энергосистемах европейской части страны. При такой тенденции развития атомной энергетики вопросы повышения безопасности и эффективности работы АЭС приобретают особую актуальность.

В этой связи одним из приоритетных направлений повышения безопасности и эффективности работы АЭС является обеспечение их базисной электрической нагрузкой. С этой целью использование водородных энергетических комплексов, основанных на внепиковом электропотреблении, может быть направлено на производство товарной продукции, дополнительную выработку пиковой электроэнергии АЭС и как способ резервирования собственных нужд станции, приводящий к повышению её безопасности. На этом основании актуальным является исследование эффективности АЭС с использованием водородных энергетических комплексов.





Связь диссертационной работы с приоритетными НИР

Данная диссертационная работа выполнялась на базе бюджетных тематик 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 оценка и анализ эффективности интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом в зависимости от доли используемой внепиковой мощности энергоблока (на примере ВВЭР-1000) для производства водорода и кислорода.

Основные задачи исследований:

1. Разработка наиболее эффективного способа осуществления водородного перегрева свежего пара во влажно-паровых циклах АЭС.

2. Оценка эффективности использования водородного топлива во влажно-паровых циклах АЭС в зависимости от доли используемой внепиковой мощности энергоблока (на примере ВВЭР-1000) для производства водорода и кислорода.

3. Оценка эффективности использования «провальной» электроэнергии АЭС в зависимости от доли используемой мощности энергоблока для производства водорода и кислорода.

4. Оценка и анализ эффективности производства водорода на базе электролизных установок повышенной мощности (единичных агрегатов) за счёт электроэнергии провальной части графика электрической нагрузки АЭС.

5. Обоснование системы хранения водорода и кислорода в условиях суточного цикла.

6. Расчёт стоимостных характеристик системы хранения водорода и кислорода.

7. Оценка технико-экономических показателей интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом.

8. Анализ эффективности и технико-экономических показателей интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом в сравнении с ГАЭС.

Направления исследований

Работа направлена на исследование эффективности построения водородных циклов на влажно-паровых АЭС с целью повышения эффективности и конкурентоспособности станции в условиях обеспечения базисной электрической нагрузкой.

Методы исследований

Методика оценки термодинамической эффективности циклов теплоэнергетических установок; методика оценки технико-экономических показателей в энергетике; методика оценки надёжности теплоэнергетического оборудования в энергетике.

Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы обоснована использованием укоренившихся и широко распространённых в энергетике методик технико-экономических расчётов, оценки термодинамической эффективности и надёжности теплоэнергетических установок, а также логической корреляцией основных результатов работы с результатами других авторов.

На защиту выносятся:

1. Уточнённая расчётная схема интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом.

2. Эффективность производства водорода методом электролиза воды на базе электролизного комплекса повышенной мощности за счёт электроэнергии провальной части графика электрической нагрузки.

3. Результаты расчёта капиталовложений в систему хранения водорода и кислорода в цилиндрических ёмкостях.

4. Система водородного перегрева свежего пара АЭС.

5. Эффективность и технико-экономические показатели интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом.

6. Конкурентная эффективность интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом в сравнении с ГАЭС.

Научная новизна

Разработана методика оценки эффективности и технико-экономических показателей водородного энергетического комплекса в интеграции с АЭС на примере с ВВЭР-1000 (ПТУ К-1000/60-1500) в зависимости от доли используемой внепиковой мощности энергоблока для производства водорода и кислорода, позволяющая произвести оценку системной эффективности такой интеграции.

Уточнена и обоснована расчётная схема интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом.



Разработана наиболее эффективная система сжигания водорода для перегрева свежего пара в цикле АЭС без использования охлаждения балластировочным компонентом (охлаждающей водой), что способствует наибольшей эффективности такого перегрева.

Разработаны условия конкурентной эффективности АЭС с использованием водородного энергетического комплекса в сравнении с ГАЭС.

Разработаны условия целесообразности производства водорода на базе электролизных установок повышенной мощности единичных агрегатов с использованием электроэнергии провальной части графика электрической нагрузки АЭС. Получено экстраполяционное уравнение оценки удельных капиталовложений в электролизные установки повышенной мощности, а также оценки удельных капиталовложений и мощности вновь создаваемых компрессорных агрегатов применительно к условиям работы водородного энергетического комплекса.

Приведено обоснование наиболее приемлемого способа хранения водорода и кислорода в условиях суточного цикла. Получены эффективные технические и стоимостные показатели системы хранения водорода и кислорода в ёмкостях цилиндрического типа.

Практическая значимость результатов диссертационной работы следует из актуальности исследуемой проблемы.

Использование водородных энергетических комплексов позволяет отказаться от принудительной разгрузки АЭС по диспетчерскому графику в часы ночного провала электропотребления и, тем самым, обеспечить работу станции с высоким коэффициентом использования установленной мощности. При этом выработанные водород и кислород могут использоваться в паротурбинном цикле АЭС (водородный перегрев свежего пара) с обеспечением выработки дополнительной (пиковой) электроэнергии (мощности) и с повышением общей эффективности работы станции или могут служить конкурентоспособной товарной продукцией. В этой связи проведенные оценки показали, что использование водородного топлива в цикле АЭС может привести к повышению электрического КПД станции брутто в диапазоне 0,9 – 7,3 %, КПД станции нетто – 0,7 – 7,0 % в зависимости от количества сжигаемых водорода и кислорода при водородном перегреве свежего пара. При этом предложенная система сжигания водорода в цикле АЭС способствует наибольшей эффективности такого перегрева.

Производство водорода на базе электролизных установок повышенной мощности при определённых условиях оказывается эффективным. При этом попутной полезной продукцией может оказаться производство озона для коммунально-бытовых целей, а также наработка тяжёлой воды в процессе электролиза.

Использование водородных энергетических комплексов в интеграции с АЭС может обеспечить системную эффективность станции в сравнении
с ГАЭС при покрытии пиков электрических нагрузок в энергосистеме, покрытие переменного графика электропотребления без изменения режимов работы реакторной установки. При этом становится возможным отказ от использования пиковых ГТУ, что приводит к экономии органического топлива в энергосистеме и уменьшению масштабов выбросов парниковых газов в атмосферу.

С эффективным способом хранения водорода и кислорода на АЭС в условиях суточного цикла связана возможность реализации водородных энергетических комплексов. С этой точки зрения предложенный способ хранения водорода и кислорода в цилиндрических ёмкостях является одним из возможных.

В условиях становления и развития водородной энергетики в экономически развитых странах, в том числе и в России, неизбежно получит своё формирование рынок водородных технологий. Реализация водородных энергетических комплексов связана с созданием энергетического оборудования новых типоразмеров, пригодного для целей водородной энергетики, которое может занять свою соответствующую нишу в формирующемся рынке водородных технологий. В данной диссертационной работе на основе разработанной методики оценки эффективности и технико-экономических показателей водородного энергетического комплекса выработаны основные рекомендации к созданию такого энергетического оборудования и его основные возможные характеристики.

Разработанная методика может быть использована проектными организациями с целью оценки технико-экономических показателей обеспечения АЭС базисной электрической нагрузкой за счёт использования водородного энергетического комплекса с повышением эффективности работы станции при новом проектировании.

Разработанные научные основы интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом могут использоваться в учебном процессе с целью изложения концепции эффективного обеспечения АЭС базисной электрической нагрузкой в условиях увеличения их доли в энергосистемах европейской части страны.

Основные результаты работы вошли в научные отчёты Отдела энергетических проблем Саратовского научного центра РАН за 2008, 2009 гг., в том числе совместно с Объединённым институтом высоких температур РАН по эффективности оценки вариантов обеспечения АЭС базовой нагрузкой.

Апробация результатов диссертационной работы

Некоторые из основных результатов, а также главные положения концепции диссертационной работы докладывались на: внутривузовских конференциях молодых учёных СГТУ в 2007, 2008 гг..; Всероссийской конференции молодых учёных, проводимой концерном «Росэнергоатом» в 2007 г.; Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика энергосбережения и ресурсосбережения в промышленности» в 2007 г.; Международной конференции молодых учёных «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» 15-16 сентября 2009 г.

Публикации. По исследуемой проблеме опубликованы 7 печатных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации

Диссертация включает предисловие, четыре главы, выводы, направления дальнейших исследований, список использованных источников, содержащий 104 наименования. Объём диссертации составляет 142 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В предисловии обоснована актуальность исследуемой проблемы.

В первой главе показаны основные достижения в области освоения водородных технологий, в том числе с учётом разработок, выполненных за рубежом. Приведены основные характеристики водорода как энергоносителя. Приведены перспективы развития водородной энергетики, охарактеризован способ производства водорода из воды методом электролиза как перспективный. Показан уровень развития различных технологий электролиза в настоящее время. Приведены данные по себестоимости производства водорода данным методом. Приводится обоснование о необходимости создания электролизных установок повышенной мощности единичных агрегатов. Приведены сведения о различных технологиях хранения водорода, а также их некоторые технико-экономические показатели. Приводится обоснование наиболее приемлемого способа хранения водорода и кислорода в условиях суточного цикла в увязке с водородным энергетическим комплексом. Анализируются сведения об использовании водорода в циклах различных теплоэнергетических установок.

На основании выполненного обзора с позиции нового подхода к исследованию эффективности использования водородного топлива в циклах влажно-паровых АЭС поставлены цель и основные задачи исследования.

Во второй главе приводится обоснование использования электролизных установок повышенной мощности единичных агрегатов для производства водорода и кислорода в период провала электрической нагрузки АЭС. Показана оценка удельных капиталовложений и исследуется эффективность производства водорода на базе таких электролизных установок. Приводится методика оценки эффективности производства водорода. В предположении наложения опыта производства электролизных агрегатов в настоящее время на вновь создаваемые в перспективе (повышенной мощности) приведено обоснование их основных рабочих характеристик и условий эксплуатации. На основе проведенной оценки эффективности производства водорода разрабатываются условия целесообразности его производства, делается сопоставление себестоимости производства водорода с другими методами.

Оценка эксплуатационных затрат производства водорода осуществлялась по выражению:

,

где Иээ – эксплуатационные издержки на электроэнергию, тыс. руб./год;

Иэл – эксплуатационные издержки на приготовление электролита, тыс. руб./год;

Иов – эксплуатационные издержки на охлаждающую воду, тыс. руб./год;

– эксплуатационные издержки на азот для продувки электролизной установки, тыс. руб./год;

Иам – отчисления на амортизацию основных производственных фондов, тыс. руб./год;

Ирем – отчисления на ремонты, тыс. руб./год;

Изп – отчисления на заработную плату обслуживающему персоналу, тыс. руб./год;

Исн – отчисления на социальные нужды, тыс. руб./год;

Ипр – прочие эксплуатационные издержки, тыс. руб./год.

Следует отметить, что в схеме интеграции АЭС с водородным энергетическим комплексом (см. рис. 3) предусмотрен отвод той доли рабочего тела, которая была добавлена в паротурбинный цикл в процессе паро-водородного перегрева и его подача вновь на электролиз. Это характеризует замкнутость циркуляции рабочего тела водородного энергокомплекса. На этой основе эксплуатационные издержки на химочищенную воду в расчёте не учитывались.

Оценка удельных капиталовложений в электролизную установку при повышении её мощности от 3 МВт до 50 МВт показана на рис. 1. При этом не исключается создание данных электролизных агрегатов блочным исполнением.

 Удельные капиталовложения в-2

Рис.1. Удельные капиталовложения в электролизные установки

повышенной мощности

Оценка эффективности производства водорода на базе внепиковой электроэнергии АЭС проведена при КПД ~ 60 %, как промышленно освоенный уровень эффективности. При этом удельные затраты электроэнергии на производство водорода составляют 5 кВт·ч/нм3 Н2 ( 56 кВт·ч/кг Н2). Давление вырабатываемых газов рассматривается для вариантов 1 и 3 МПа. Рабочая температура процесса электролиза может составлять 80 – 90 °С, а также может быть поднята до 120 – 130 °С.

Число часов использования установленной мощности АЭС в году принято равным 7000 ч/год. Период провала электрической нагрузки АЭС принят равным 7 ч/сут. Количество рабочих циклов за год водородного энергокомплекса составляет  292. 

Был принят следующий ряд производительностей электролизных установок (при давлениях вырабатываемых газов 1 и 3 МПа): 125, 250, 500, 750, 1000 м3 Н2/ч и 62,5, 125, 250, 375, 500 м3 О2/ч. В пересчёте на нормальные условия (при давлении 1 МПа): 1100, 2200, 4400, 6700, 8900 нм3 Н2/ч и 550, 1100, 2200, 3350, 4450 нм3 О2/ч. Этому соответствует следующий ряд мощностей электролизных установок: 5,6; 11,2; 22,4; 33,6; 44,8 МВт.

При давлении вырабатываемых водорода и кислорода 3 МПа производительность электролизных установок в пересчёте на нормальные условия: 3300, 6500, 13100, 19700, 26200 нм3 Н2/ч и 1650, 3250, 6550, 9850, 13100 нм3 О2/ч. Этому соответствует следующий ряд мощностей электролизных установок: 16,5; 33; 66; 99; 132 МВт.

На рис. 2 приведены результаты расчетов себестоимости производства водорода методом электролиза воды при использовании электроэнергии провальной части графика электрической нагрузки АЭС в зависимости от цены «провальной» электроэнергии.

 Себестоимость получения водорода-3

Рис. 2. Себестоимость получения водорода методом электролиза воды
при использовании «провальной» электроэнергии АЭС и различной её цене:



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.