Термодинамічний та ексергетичний аналіз паротурбінної установки на базі AP1000 з оптимізованою тепловою схемою
DOI:
https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-3-21Ключові слова:
ядерна енергетика, AP1000, паротурбінна установка, термодинамічний аналіз, ексергетичний аналіз, регенеративний підігрів живильної води, атомна електростанціяАнотація
З огляду на стратегічну важливість модернізації ядерної енергетики України у статті наведено результати дослідження з розроблення та аналізу термодинамічного циклу та структури теплової схеми паротурбінної установки (ПТУ), призначеної для роботи з ядерним реактором AP1000. За базову було обрано теплову схему турбоустановки К-1000-60/1500-2. На її основі запропоновано нову конфігурацію ПТУ, що включає комбінований однотечійний циліндр високого та середнього тиску (ЦВСТ), два циліндри низького тиску (ЦНТ), сепаратор пари та двоступеневу систему проміжного перегріву пари. Для оцінювання впливу тисків відборів пари, параметрів регенеративного підігріву живильної води та розподілу ступенів турбіни на показники циклу було проведено термодинамічний та ексергетичний аналіз запропонованих конфігурацій ПТУ. Чисельне моделювання та розрахунки проточної частини секцій турбіни виконано із застосуванням сучасних методів газодинамічного проєктування. Результати показали, що оптимальний вибір параметрів відборів пари та умов проміжного перегріву суттєво підвищує ефективність циклу. Максимальний внутрішній ККД циклу ПТУ досяг 38,96 %. Ексергетичний аналіз продемонстрував, що найбільші втрати ексергії спостерігаються в циліндрі низького тиску, водночас обидві досліджувані конфігурації характеризуються високою ексергетичною ефективністю. Також проведено порівняльний аналіз компонування ступенів та осьових розмірів проточних частин турбіни. Розроблені підходи можуть бути застосовані під час проєктування та оптимізації паротурбінних установок нового покоління для атомних електростанцій.
Посилання
Westinghouse Electric Company. AP1000® Plant Overview. Available at: https://westinghousenuclear.com/energy-systems/ap1000-pwr/overview
W.E. Cummins, M.M. Corletti, and T.L. Schulz, “Westinghouse AP1000 Advanced Passive Plant,” in: Proceedings of ICAPP’03, (Cordoba, Spain, 2003). Paper 3235. Available at: http://large.stanford.edu/courses/2022/ph241/beskind1/docs/cummins-may03.pdf
AP1000 Design Control Document Rev. 16 – Tier 2 Chapter 1 – Introduction and General Description of the Plant – Section 1.9 Compliance with Regulatory Criteria. Available at: https://www.nrc.gov/reactors/new-reactors/design-cert/ap1000/dcd.html
On Siting, Design and Construction of Energy Blocks N3 and N4 of the Khmelnitsky Nuclear Power Plant: Law of Ukraine No. 5217-VI of September 6, 2012. Database “Legislation of Ukraine”. Verkhovna Rada of Ukraine. Available at: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/en/5217-17?utm_source=chatgpt.com#Text
T.V. Petik, and H.P. Lisiuk, “Automatic system of regulation of water level in the steam generator of the 1000 MW nuclear power plant,” Scientific notes of Taurida National V.I. Vernadsky University, series «Technical Sciences», 30(69), Part 2, No. 3, 7–13 (2019). (in Ukrainian). https://doi.org/10.32838/2663-5941/2019.3-2/02
O.M. Uss, S.T. Patsiuk, O.V. Panchenko, O.V. Shavlaklov, and D.Kh. Kharlampidi, “New Generation ‘Block-Modular’ Condenser for K-1000-60/1500-2 Turbine Units in Zaporozhskaya NPP,” J. of Mech. Eng. 21(1), 4-10 (2018). https://doi.org/10.15407/pmach2018.01.004
O.V. Shavlakov, M.O. Feofentov, O.V. Panchenko, O.G. Kasatkin, O.M. Uss, S.T. Patsyuk, O.V. Vavilov, et al., Development and implementation of condensers for steam turbines of nuclear power plants, (FOP Panov A.M., Kharkiv, 2018). (in Ukrainian)
New nuclear reactors: Generic Design Assessment. Report by the Office for Nuclear Regulation on the Generic Design Assessment of new nuclear reactor designs. 2011. Available at: https://www.onr.org.uk/media/sbkc5dng/ap1000-onr-gda-sr-11-002-rev-0.pdf
S.A. Olatubosun, A. Ayodeji, and M.A. Amidu, “Safety assessment of AP1000: Common transients and their analysis,” Nuclear Engineering and Design, 375, 111100 (2021). https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2021.111100
L.T. Borges, D.G. Rodríguez, C.J.C.M.R. da Cunha, J. de Lima Bezerra, and C.A.B. de Oliveira Lira, CFD Analysis of the AP1000 Reactor Pressure Vessel under Normal Operating Conditions. 2024. Available at: https://sencir.nuclear.ufmg.br/wp-content/uploads/2024/11/956358.pdf
Idaho National Laboratory. Opportunities for AP1000 Deployment at Existing and Planned Nuclear Sites. 2024. Available at: https://inldigitallibrary.inl.gov/sites/STI/STI/Sort_128167.pdf.
X. Niu, J. Liu, Z. Dong, J. Wei, and W. Zhou, “Research on Neutronics Safety Parameters of the AP1000 Nuclear Reactor under Different Conditions,” Energies, 16, 7549 (2023). https://doi.org/10.3390/en16227549
Z. Winfried, B. Nadine, A. Alexander, and V. Kiril, “Sensitivities of delayed neutron fractions in the framework of SCALE 6.2,” Annals of Nuclear Energy, 153, 108068 (2021). https://doi.org/10.1016/j.anucene.2020.108068
M. Rahgoshay, and O. Noori-Kalkhoran, “Calculation of control rod worth and temperature reactivity coefficient of fuel and coolant with burn-up changes for VVRS-2 MWth nuclear reactor,” Nuclear Engineering and Design, 256, 322–331 (2013). https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2012.08.033
H. Mazrou, D. Lababsa, and O. Mokhtari, “Assessment of the safety impact caused by the variations of the critical position of control rods and by the presence of an in-core flux trap on the power peaking factors in an MTR-type research reactor,” Nuclear Engineering and Design, 414, 112553 (2023). https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2023.112553
A. Kluba, and R. Field, “Optimization and Exergy Analysis of Nuclear Heat Storage and Recovery,” Energies, 12(21), 4205 (2019). https://doi.org/10.3390/en12214205
J.Y. Heo, J.H. Park, Y.J. Chae, S.H. Oh, S.Y. Lee, J.Y. Lee, N. Gnanapragasam, et al., “Evaluation of various large-scale energy storage technologies for flexible operation of existing pressurized water reactors,” Nuclear Engineering and Technology, 53(8), 2427–2444 (2021). https://doi.org/10.1016/j.net.2021.02.023.
W.M. Conlon, and Ch.W. Forsberg, “Storage-Coupled Nuclear Combined Cycle,” ASME Open Journal of Engineering, 1, 015001-1 (2022). https://doi.org/10.1115/1.4055277
A.V. Rusanov, A.O. Kostikov, V.O. Tarasova, R.A. Rusanov, and S.P. Tretiak, “The concept of creating a maneuverable powerplant based on a small modular reactor.” Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (5), 37–44 (2024). https://doi.org/10.33271/nvngu/2024-5/037
M.A. Darwish, F.M. Al Awadhi, and A.O. Bin Amer, “Combining the nuclear power plant steam cycle with gas turbines,” Energy, 35, 4562–4571 (2010). https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.04.031
R. Rusanov, A. Rusanov, and M. Chugay, “Analysis of the Influence of Operational and Geometrical Characteristics on the Efficiency of Axial Turbine Stage Profile Cascades,” Science and Innovation, 21(2), 73–87 (2025). https://doi.org/10.15407/scine21.02.073
A. Rusanov, R. Rusanov, P. Klonowicz, P. Lampart, G. Żywica, and A. Borsukiewicz, “Development and experimental validation of real fluid models for CFD calculation of ORC and steam turbine flows,” Materials, 14(22), 6879 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14226879
G. Tsatsaronis, “The future of exergy-based methods,” Energy, 302, 131881 (2024). https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.131881
D. Kharlampidi, V. Tarasova, M. Kuznetsov, and E. Voytenko, “Thermodynamic analysis of air-compression refrigerating machine based on the exergy cost theory,” Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(8(89)), 30–38 (2017). https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.112113
A. Ohji, and M. Haraguchi, “2 - Steam turbine cycles and cycle design optimization: The Rankine cycle, thermal power cycles, and IGCC power plants,” Advances in Steam Turbines for Modern Power Plants, 11–40 (2017). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100314-5.00002-6
V. Solovey, M. Zipunnikov, and R. Rusanov, “Increasing the manoeuvrability of power units of the thermal power plants due to applying the hydrogen-oxygen systems,” J. Phys. Energy, 5, 014012 (2023). https://doi.org/10.1088/2515-7655/aca9ff
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
