دانلود مقاله ترمودینامیک نیروگاه هسته ای مدولار GT-MHR-250 با راکتور هلیوم و توربین گازی

چکیده
     با اینکه اغلبِ نیروگاه های مدولارِ راکتورِ هلیوم با توربین گازی ، که مورد بررسی قرار گرفته اند، بر اساس چرخۀ (سیکل) رانکین کار می کنند، استفاده از سیکل برایتونِ ترکیبی  می تواند سودمند باشد. با این حال، مقالات علمیِ منتشر شده در سال های اخیر، این ترکیب را با دقّت، ارزیابی نکرده اند. پژوهش حاضر، یک تحلیل ترمودینامیکی از نیروگاه هسته ایِ مدولار با توانِ حرارتی MW 250، را ارائه می دهد که شامل راکتور هسته ایِ خنک- شونده با هلیوم، و واحد تبدیلِ انرژی می باشد و از توربینِ گازیِ عمودی که بر اساس سیکل برایتونِ ترکیبی، کار می کند، استفاده می نماید. دو مُدِ (مدل) اجرایی در نیروگاه هسته ای، به کار گرفته شدند: تولید الکتریسیته ، و تولید ترکیبیِ گرما و الکتریسیته . اجزاءِ واحد تبدیل انرژی، مانند بازده الکتریکی ، توان الکتریکی ، و توان حرارتیِ  رژنراتورهای (بازیابنده های) حرارتی  و مبدّل های حرارتی ، به دست آمده و تحلیل شدند. نتایج حاصل، تأیید نمودند که اگر بهترین پارامترهای اجزاءِ درون-نیروگاهی که در حال حاضر، در توربین گازیِ مدرن و صنایع مهندسی برق وجود دارند، در این طراحی استفاده شوند، می توان به کارایی زیادِ سیکل، در مُد تولید الکتریسیته دست یافت. یافته ها نشان دادند که ضریب حرارتیِ خنک سازی هلیوم، اثر بزرگی بر بازده الکتریکی و توانِ الکتریکی دارد. به منظور ارزیابیِ کاهشِ بازده GT-MHR-250 به دلیل خرابیِ اجزاء ِدرون-نیروگاهی (توربین، کمپرسور، مبدّل های حرارتی) در حین کار، تحلیلِ حساسیت ، انجام شد. در این مورد، بازده الکتریکی و توان الکتریکیِ نیروگاه در مُد (مدل) ترکیبی، قابل توجه تر از مُد تولید الکتریسیته بود. 

1.    مقدمه
     در حال حاضر، تقریباً 80% نیاز جهانیِ انرژی، از سوخت های فسیلی تأمین می شود و فقط حدود 30% این انرژی صَرف تولید الکتریسیته می گردد. تولید انرژی فسیلی، سبب گرمایشِ اقلیمی و مشکلات زیست-محیطی می شود. رویکردهای زیادی برای کاهش احتراقِ سوخت های فسیلی در محیط زیست، ابداع شده اند و در حال ابداع هستند، و توجه تحقیقات، به ترکیبِ سوخت های زیستی ، سینگاز  (گاز سنتز) و سوخت های هیدروکربنی ]1،2[؛ کاربرد افزودنی های قابل احتراق و غیرقابل احتراق، در سوخت های فسیلی (مثلاً آب (سوخت زغال-آب) ]3[ یا گلیسرول) ]4[؛ انجام عملیات خاص، روی ترکیب سوختی، قبل یا در حین احتراق ]5[؛ و روش های کارآمدترِ احتراق ]6-8[، جلب شده است. همچنین، تحقیقات زیادی به استفاده از زغال سنگ و پسابِ نفتی  ]9[، احتراق آمونیاک برای اهداف مهندسی برق ]10[، و استفاده از انرژی هیدروژن ]11، 12[ اختصاص داده شدند. با این حال، هیچ کدام از آنها، در سطح صنعتی اجرا نشده اند، و تا به امروز، بخش اصلیِ تولید الکتریسیته و گرما، بر پایۀ فرایندهای احتراقی بوده است. از طرف دیگر، بحران شدیدِ انرژی در سطح جهانی، که به دلیل دستکاریِ قیمت گازِ طبیعی، توسط روسیه، ایجاد شده است، به وضوح نشان می دهد که انسان ها به منبع انرژی دیگری نیاز دارند که پایدار و سازگار با محیط زیست باشد. 
     انرژی هسته ای، اکنون برای تولید حدود 14% از الکتریسیتۀ جهانی به کار می رود، به علاوه در برخی از کشورها (فرانسه و بلژیک) انرژی هسته ای با تولید بیش از 60% انرژی الکتریکی، بر انرژی های دیگر، غلبه داشته است. انرژی هسته ای، می تواند گزینه ای برای کاهش انتشار دی اکسید کربن باشد؛ به عنوان مثال، نیروگاه های انرژی هسته ای در اروپا سبب کاهش سالانۀ حدود 700 میلیون تُن انتشار CO2 به اتمسفر می شوند. از این دیدگاه، انرژی هسته ای، «انرژی سبز» در نظر گرفته می شود. 
     از سال 2021، بیش از 440 راکتورِ انرژی هسته ای در سطح دنیا در حال استفاده هستند، بیش از 100 عدد از آنها در ایالات متحدۀ آمریکا قرار دارند، و حدود 200 عدد در فرانسه، چین، و روسیه می باشند. به علاوه، اکنون بیشتر از 50 راکتور هسته ای در کشورهای مختلف، در حال ساخت هستند. در حال حاضر، پارک نیروگاه های هسته ای ، با راَکتورهایی کار می کند که از MW1000 تا 1600 مگا وات توان حرارتی دارند. ولی اجرا و کنترل آنها دشوار است، فضای زیادی اشغال می کنند، و به پرسنلِ نگهداریِ زیادی نیاز دارند (یک نفر، به ازای هر مگا وات ظرفیتِ نیروگاه ). 

     در سال های اخیر، حرکت به سمت واحد های انعطاف پذیرتر و با توان پایین تر (MW 600-200)، که به طور جداگانه یا به عنوان بخشی از سیستم های انرژیِ بزرگتر، کار کنند، صورت گرفته است. امروزه، اساس نیروگاه های هسته ای در سطح دنیا، را نسل دوم راکتورهای هسته ای تشکیل می دهند؛ نسل سوم ،تازه در حال شروع کار است؛ و نسل چهارم، در حال توسعه برای معرفی و شروع به کار طی 10 الی 20 سال آینده می باشد. اولویّت های نیروگاه های هسته ایِ نسل چهارم، عبارتند از: سطح بالای (اول) ایمنی برای مردم و محیط زیست، مقاومت زیاد در برابر خرابیِ تجهیزات و خطا پرسنل، و پیامدهای اندک تشعشعات در صورت بروز سانحه. چنین راکتورهایی، بر پایۀ ویژگیِ مهمِ «ایمنی داخلی» عمل خواهند کرد، یعنی در یک حادثه، هرچه هستۀ آن بیشتر گرم شود، سرعت واکنش هسته ای، کمتر می شود، که این امر، به خاموشیِ خود به خودِ راکتور می انجامد.

4.    نتیجه گیری
     پارامترهای ترمودینامیکِ نیروگاه هسته ایِ ماژولار با توان حرارتیِ MW 250، و دارای راکتور هلیومی و توربین گازیِ عمودی، که بر پایۀ سیکل ترکیبی برایتون کار می کند، به دست آمدند و در این مقاله مورد بحث قرار گرفتند. دو مُد اجراییِ نیروگاه هسته ای، یعنی مُد تولید الکتریسیته و مُد ترکیبی (با تولید گرما و الکتریسیته) بررسی شدند. به منظور شناسایی مسائل مربوط به حساسیت نیروگاهِ GT-MHR-250 در صورت اخلال در عملکرد اجزاء درون-نیروگاهی در حین کار، تحلیل مربوطه انجام شد. بر اساس نتایج به دست آمده، موارد زیر، نتیجه گیری شدند:
•    در مُد تولید الکتریسیته، اگر بهترین پارامترهای اجزاء درون-نیروگاهیِ مورد استفاده در صنایع مهندسی قدرت و توربین، مورد استفاده قرار گیرند، بازده الکتریکیِ بالایی (3/46 %) به دست می آید. 
•    در مُد ترکیبی، توان حرارتی نیروگاه، MW 13/182 می باشد، در حالی که توان الکتریکی فقط MW 66/69 و بازده الکتریکی 9/27 % است. 
•    طرح نیروگاه هسته ایِ GT-MHR-250، از نظر اخلال در عملکردِ اجزاء درون-نیروگاهی، کم-حساسیت  است، ولی کاهش خنک سازیِ هلیوم بین مراحل کمپرسور، اثر زیادی روی بازده الکتریکی و توان الکتریکیِ نیروگاه می گذارد. 

Abstract

     Although most of the discussed Gas Turbine Modular Helium Reactor power plants are based on the Rankine cycle, the use of the complex Brayton cycle can be an advantage. However, scientific papers published in recent years do not evaluate this combination in more detail. This paper provides a thermodynamic analysis of the modular nuclear plant with thermal power of 250 MW, consisting of a helium-cooled nuclear reactor and the energy conversion unit, using the vertical gas turbine operating according to the complex Brayton cycle. Two modes of nuclear plant operation were considered, mainly electricity generation and combined electricity and heat production. The energy conversions unit parameters, such as the electrical efficiency, electrical power, and thermal power of heat regenerator and heat exchangers were obtained and analyzed. The results have confirmed that high cycle efficiency in the electricity production mode can be obtained if the best parameters of all in-plant elements currently achieved in the modern gas turbine and power engineering industries are used in the design. As found, the temperature coefficient of helium intercooling demonstrates a great impact on the nuclear plant's electrical efficiency and electrical power. The sensitive analysis was carried out to assess the reduction of GT-MHR-250 performance due to deterioration of the in-plant elements (turbine, compressor, heat exchangers) during operation. In this case decrease in the plant's electrical efficiency and electrical power is more noticeable in the combined mode rather than in the electricity generation.

1. Introduction

     Currently, approximately 80 % of the world’s energy demand comes from fossil fuels, while only about 30 % of the energy is used to produce electricity. Climate warming and environmental issues are accompanied with fossil energy generation. There are many approaches have developed and continue to develop to decrease the environmental load from fossil fuels combustion that focused research interests on the mixing biofuels, syngas, and hydrocarbon fuels [1,2]; application of combustible and non-combustible additives to fossil fuels, for example, water (coal-water fuel) [3] or glycerol [4]; on the specific treatment of the fuel composition before or during the combustion [5], and on the organizing of the combustion in some more efficient way [6–8]. Much research was also devoted to the utilization of coal and oil waste [9], ammonia combustion for power engineering purposes [10], and hydrogen energy utilization [11,12]. However, none of them do implement on the industrial level, up to date the main part of electricity and heat generation is based on the combustion processes. On the other hand, the deep energy crisis that is developed in the world due to natural gas market price manipulation by Russia clearly shows that mankind needs another energy source, which would be sustainable and environmentally friendly.

     Nuclear energy is now being employed for about 14 % of the world’s electricity production, moreover, in some countries (France, and Belgium) nuclear power dominates by producing over 60 % of the electrical energy. Nuclear power could be the option for reducing carbon dioxide emissions; for example, nuclear power plants in Europe reduce annually up to 700 million tons of CO2 discharged into the atmosphere. From this point of view, nuclear energy is considered “green energy”.

     As of the year 2021, more than 440 nuclear power reactors are in the operation throughout the world, over 100 of them are in the United States, while about 200 are in France, China, and Russia. In addition, more than 50 nuclear reactors are now under construction in different countries. Currently, the park of nuclear power stations is based on reactors from 1000 to 1600 MW of thermal power. However, they are difficult to operate and control, occupy a large area, and require many maintenance personnel (1 person per 1 MW of plant capacity). In recent years, the movement towards more flexible and low-power units of (200 – 600) MW occurred, operating independently or as a part of larger energy systems.

4. Conclusions

     The thermodynamic parameters of the GT-MHR modular nuclear plant of 250 MW thermal power with helium reactor and vertical gas turbine, operating according to the complex Brayton cycle were obtained and discussed in this paper. Two operating modes of the nuclear plant, namely the electricity generation mode and the combined mode with electricity and heat production were considered. The analysis was carried out to define the GT-MHR-250 plant sensitivity concern in performance deterioration of the in-plant elements during their operation. Based on the results obtained, the following main conclusions are drawn as follows:

• In the electricity production mode, quite a high electrical efficiency of the plant was achieved (46.3 %) if the best parameters of in-plant elements currently achieved in the gas turbine and power engineering industries are used.

• In the combined mode the plant’s thermal power is 182.13 MW, while the electrical power is only 69.66 MW with an electrical efficiency of 27.9 %.

• The scheme of the GT-MHR-250 nuclear plant is low sensitive concerning performance deterioration of in-plant elements however reduction in the helium intercooling between compressor stages affects greatly the plant’s electrical efficiency and electrical power.

• A decrease in the plant’s electrical efficiency and electrical power due to performance deterioration of in-plant elements is more noticeable in the combined mode rather than in the electricity production mode.

(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)

چکیده
1.    مقدمه
2.    نیروگاه هسته ایِ GT-MHR
مفهوم GT-MHR
واحد تبدیل انرژی
روش محاسباتی در GT-MHR
نتایج تست-کِیس (آزمایه)
3.    نتایج و بحث
نتایج محاسبات
تحلیل حساسیت؛ مد تولید الکتریسیته
کمپرسور فشار-پایین و فشار-بالا
توربین گازی و رژنراتور حرارتی
افت فشار در مبدل های حرارتی
نتایج تحلیل حساسیت
تحلیل حساسیت. در مد ترکیبی
کمپرسور فشار-پایین و فشار-بالا
توربین و رژنراتور حرارتی 
افت فشار در مبدل های حرارتی
4.    نتیجه گیری
عدم تضاد منافع
دسترسی به داده ها
تقدیر و تشکر
منابع

Abstract
Nomenclature:
1. Introduction
2. GT-MHR nuclear plant
GT-MHR concept
Energy conversion unit
GT-MHR calculation procedure
Test case results
3. Results and discussion
Results of calculation
Sensitivity analysis. Electricity generation mode
Low and high-pressure compressor
Gas turbine and heat regenerator
Pressure losses in heat exchangers
Results of sensitivity analysis
Sensitivity analysis. Combined mode
Low and high-pressure compressor
Turbine and heat regenerator
Pressure losses in heat exchangers
4. Conclusions
Declaration of Competing Interest
Acknowledgments
Data availability
References

این محصول شامل پاورپوینت ترجمه نیز می باشد که پس از خرید قابل دانلود می باشد. پاورپوینت این مقاله حاوی 23 اسلاید و 4 فصل است. در صورت نیاز به ارائه مقاله در کنفرانس یا سمینار می توان از این فایل پاورپوینت استفاده کرد.

در این محصول، به همراه ترجمه کامل متن، یک فایل ورد ترجمه خلاصه نیز ارائه شده است. متن فارسی این مقاله در 9 صفحه (2400 کلمه) خلاصه شده و در داخل بسته قرار گرفته است.

 علاوه بر ترجمه مقاله، یک فایل ورد نیز به این محصول اضافه شده است که در آن متن به صورت یک پاراگراف انگلیسی و یک پاراگراف فارسی درج شده است که باعث می شود به راحتی قادر به تشخیص ترجمه هر بخش از مقاله و مطالعه آن باشید. این فایل برای یادگیری و مطالعه همزمان متن انگلیسی و فارسی بسیار مفید می باشد.

بخش مهم دیگری از این محصول لغت نامه یا اصطلاحات تخصصی می باشد که در آن تعداد 65 عبارت و اصطلاح تخصصی استفاده شده در این مقاله در یک فایل اکسل جمع آوری شده است. در این فایل اصطلاحات انگلیسی (تک کلمه ای یا چند کلمه ای) در یک ستون و ترجمه آنها در ستون دیگر درج شده است که در صورت نیاز می توان به راحتی از این عبارات استفاده کرد.