Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электростанциями / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов ; Саратовский научный центр РАН. <...> Показано, что в условиях растущей доли атомных электростанций в структуре генерирующих мощностей энергосистем и неравномерных графиков электропотребления становится экономически оправданным производство водорода на базе внепиковой электроэнергии. <...> Изложены вопросы совершенствования циклов влажно-паровых АЭС при их комбинировании с водородными технологиями. <...> Приведены результаты исследований по повышению безопасности АЭС за счет создания резервов питания собственных нужд на основе водорода в аварийных ситуациях с полным обесточиванием. <...> В связи с этим вопросы повышения безопасности и эффективности их работы по условиям обеспечения базисной электрической нагрузкой, а также вопросы эффективного аккумулирования внепиковой электроэнергии в условиях неравномерных графиков электропотребления являются особо актуальными. <...> При этом выработанные водород и кислород за счет внепиковой электроэнергии АЭС могут использоваться как для выработки дополнительной сверхноминальной мощности на станции, так и в качестве товарной продукции. <...> При этом 3 открывается возможность использования водорода в качестве источника энергии как для выработки пиковой электроэнергии, так и в процессах совершенствования циклов атомных электростанций. <...> Комбинирование водородного энергетического комплекса и АЭС потребовало разработок схемно-параметрических решений, обоснования систем аккумулирования, а также принципов сжигания водорода в кислородной среде. <...> Для осуществления масштабного аккумулирования, которое необходимо в энергетике, эффективным оказывается сооружение гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). <...> Однако сооружение ГАЭС требует наличия особых рельефных условий, больших запасов воды, отчуждения больших площадей земли под водохранилища, длительных <...>
Комбинирование_водородных_энергетических_циклов_с_атомными_электростанциями.pdf
УДК 621.1+621.039
ББК 31.374+31.47
А62
Рецензенты:
член-корреспондент РАН, советник РАН В.М. Батенин,
доктор технических наук, профессор Ю.Е. Николаев
Аминов Р.З., Байрамов А.Н.
Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электростанциями
/ Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов ; Саратовский научный центр РАН. –
М. : Наука, 2016. – 254 с. – ISBN 978-5-02-039956-3.
Показано, что в условиях растущей доли атомных электростанций в структуре генерирующих
мощностей энергосистем и неравномерных графиков электропотребления
становится экономически оправданным производство водорода на базе внепиковой
электроэнергии. Изложены вопросы совершенствования циклов влажно-паровых
АЭС при их комбинировании с водородными технологиями. Приведены результаты
исследований по повышению безопасности АЭС за счет создания резервов питания
собственных нужд на основе водорода в аварийных ситуациях с полным обесточиванием.
Рассмотрены вопросы безопасного обращения с водородом.
Для научных работников, специалистов, аспирантов, студентов старших курсов
теплоэнергетических специальностей.
ISBN 978-5-02-039956-3
© Аминов Р.З., Байрамов А.Н., 2016
© Саратовский научный центр РАН, 2016
© ФГУП “Издательство “Наука”,
редакционно-издательское оформление,
2016
Стр.3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Программой развития атомной энергетики России предусмотрено существенное
увеличение доли АЭС в энергосистемах Европейской части страны.
В связи с этим вопросы повышения безопасности и эффективности их
работы по условиям обеспечения базисной электрической нагрузкой, а также
вопросы эффективного аккумулирования внепиковой электроэнергии
в условиях неравномерных графиков электропотребления являются особо
актуальными.
Данная монография посвящена изучению этой проблемы и заключает
в себе новое развитие возможных путей ее решения. Это относится к поиску
путей эффективного комбинирования водородных циклов с атомными
электростанциями, что создает предпосылки по обеспечению базисной нагрузкой
реакторного оборудования. При этом выработанные водород и кислород
за счет внепиковой электроэнергии АЭС могут использоваться как
для выработки дополнительной сверхноминальной мощности на станции,
так и в качестве товарной продукции. Такой подход полностью отвечает сложившейся
концепции водородной энергетики в XXI в., согласно которой
получение водорода и кислорода предполагается из воды с использованием
атомных или возобновляемых источников энергии. В свою очередь, при
окислении водорода кислородом вновь образуется вода (водяной пар).
Изучение эффективности комбинирования водородного теплоэнергетического
цикла с АЭС рассматривается также с позиции поиска наилучших
путей по обеспечению общестанционного резерва собственных нужд станции
на случай крупных системных аварий с обесточиванием.
Весьма важную роль играют вопросы безопасности обращения с водородом.
Кроме
этого, электролизное получение водорода и кислорода сопряжено
с наработкой тяжелой воды, что может рассматриваться на уровне многопродуктового
энергетического производства.
Глава 1 посвящена изучению состояния производства и потребления
водорода в мире как на современном этапе, так и в перспективном плане.
Наиболее освоенным в настоящее время является получение водорода из
природных органических топлив, главным образом на основе паровой конверсии
метана. Доля производства водорода методом газификации угля и из
продуктов переработки нефти невелика. В перспективе предполагается
значительное увеличение доли производимого водорода на базе внепиковой
электроэнергии АЭС и возобновляемых источников энергии. При этом
3
Стр.4
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ..................................................................................
Список сокращений .......................................................................
Г л а в а 1. Состояние производства и потребления водорода
в мире в настоящее время и в перспективе. Варианты использования
водорода в циклах теплоэнергетических установок ......
1.1. Показатели эффективности производства водорода на основе
освоенных мировой практикой технологий ............................
1.2. Оценка эффективности производства водорода перспективными
электролизными установками повышенной мощности................................................................................................
1.3.
Сравнение эффективности производства водорода электролизным
методом с альтернативными вариантами, освоенными
в мировой практике ..............................................................
1.4. Возможность получения тяжелой воды на базе электролиза
..............................................................................................
1.5. Варианты использования водорода в циклах теплоэнергетических
установок ........................................................................
Г л а в а 2. Научные основы построения водородного теплоэнергетического
цикла в комбинировании с атомной электрической
станцией .........................................................................................
2.1. Предпосылки необходимости развития водородных технологий
на базе внепиковой электроэнергии ..................................
2.2. Обоснование режимной целесообразности аккумулирования
ночной внепиковой электроэнергии ................................
2.3. Схемно-параметрические решения комбинирования водородного
энергокомплекса и АЭС ..............................................
2.4. Обоснование технических решений и способов хранения водорода
и кислорода в условиях суточного цикла ....................
2.5. Системы сжигания водорода в кислородой среде с образованием
высокотемпературного водяного пара ............................
252
3
6
7
15
21
30
33
35
46
46
51
60
68
92
Стр.253
2.6. Методические основы оценки и обоснования эффективности
использования водорода в паротурбинном цикле атомной
станции ................................................................................ 102
2.7. Обоснование эффективного варианта использования подведенной
теплоты водородного топлива во влажно-паровом
цикле АЭС ................................................................................... 125
Гл а в а 3. Учет свойств диссоциации водяного пара в процессах
окисления водорода кислородом ................................................... 129
3.1. Cвойства диссоциированного водяного пара .......................... 129
3.2. Анализ термодинамических параметров состояния диссоциированного
водяного пара ........................................................ 139
Г л а в а 4. Конкурентная эффективность водородного энергетического
комплекса ......................................................................... 155
4.1. Исследование конкурентной эффективности водородного
энергетического комплекса с альтернативными системами
аккумулирования энергии ........................................................ 155
4.2. Исследование эффективности и конкурентоспособности
электрохимического водородного цикла ................................. 173
Г л а в а 5. Разработка путей повышения безопасности АЭС за
счет резервирования собственных нужд ....................................... 190
5.1. Современное состояние и направления обеспечения безопасности
энергоблоков АЭС с ВВЭР в условиях крупных
системных аварий ...................................................................... 191
5.2. Анализ работоспособности системы резервирования собственных
нужд АЭС на основе водородного цикла в условиях
полного обесточивания ........................................................ 198
5.3. Методика оценки снижения вероятности крупных аварий на
АЭС при полном обесточивании .............................................. 206
5.4. Экономическое обоснование использования резервирования
собственных нужд АЭС на основе водородного цикла .......... 210
Гл а в а 6. Вопросы повышения безопасности обращения с водородом
на АЭС ................................................................................. 213
6.1. Взрывопожаробезопасность на АЭС с водородной надстройкой
............................................................................................... 213
6.2. Краткое описание наиболее известных взрывов на АЭС.
Нормативные документы по их предотвращению .................. 218
6.3. Приближенная оценка вероятности аварий и взрывопожаробезопасности
элементов и узлов, расположенных вне главного
корпуса АЭС с водородной надстройкой ............................. 220
6.4. Рекомендации по применению схем удаления радиолитического
водорода на опыте АЭС с РБМК и ВВЭР ........................ 228
253
Стр.254
6.5. Методы и химические средства дожигания водорода на АЭС
с водородными надстройками .................................................. 232
6.6. Рекомбинаторы водорода РВК-500 и РВК-1000........................ 235
Заключение .................................................................................... 237
Приложение ................................................................................... 238
Литература..................................................................................... 241
Стр.255
Научное издание
АМИНОВ Рашид Зарифович
БАЙРАМОВ Артем Николаевич
КОМБИНИРОВАНИЕ ВОДОРОДНЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ
С АТОМНЫМИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯМИ
Утверждено к печати Ученым советом
Саратовского научного центра
Российской академии наук
Редактор Т.А. Николаева
Художник В.Ю. Яковлев
Корректоры А.Б. Васильев, Р.В. Молоканова,
Т.А. Печко, Е.Л. Сысоева, Т.И. Шеповалова
Стр.256
Подписано к печати 05.12.2016
Формат 70 Ч 100 1/16. Гарнитура Ньютон
Печать офсетная
Усл.печ.л. 20,8. Усл.кр.-отт. 21,5. Уч.-изд.л. 19,5
Тип. зак.
ФГУП Издательство «Наука»
117997, Москва, Профсоюзная ул., 90
E-mail: secret@naukaran.com
www.naukaran.com
ФГУП Издательство «Наука»
(Типография «Наука»)
121099, Москва, Шубинский пер., 6
Стр.257