Computational analysis of a combined heat and power steam turbine for a small modular reactor
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-08-19
Department
Major/Subject
Heat and Power Engineering
Mcode
Degree programme
Nordic Master Programme in Innovative and Sustainable Energy Engineering (ISEE)
Language
en
Pages
84 + 4
Series
Abstract
The Finnish district heating system has historically relied on combined heat and power production. A shift in the energy sector, induced by climate change and the energy crisis, is challenging the viability of conventional combined heat and power plants. The ability of renewable fuels to sustainably replace the retired fossil fuels raises concerns. On the other hand, electric alternatives, such as heat pumps and electric boilers, contribute to the growing imbalance of electricity supply and demand. The district heating system is seen to lack a reliable method of sustainable heat production. Small modular reactors (SMRs) could answer this demand by producing combined heat and power (CHP). Additional heat production could increase the profitability of an SMR project, and CHP SMRs may offer advantages in terms of operational flexibility. However, the heat production efficiency of CHP SMRs remains uncertain without practical experience. To clarify the issue, this thesis presents the computation of the coefficient of performance (COP) for several CHP SMR secondary cycles. The secondary cycle models are constructed based on a small pressurized water reactor concept with an extraction-condensing steam turbine, and they are simulated using Solvo software. To illustrate the practical implications of the COP, the annual operation of one CHP SMR cycle is simulated according to heat demand corresponding to the Finnish city of Tampere. The simulation results indicate the COP of a CHP SMR to range between 3 and 7. In theory, the COP can be increased by enhancing steam expansion work and by minimizing entropy generation. In practice, this implies utilizing low-pressure heating, preheating feedwater, and lowering cooling water temperature. When sized according to local peak power and operated based on heat demand, the simulation suggests that a CHP SMR could supply the majority of annual district heating demand in Tampere. The load following capabilities of the turbine are found to be sufficient, and it is shown that coupling a heat storage with a CHP SMR reduces required peak production capacity. Overall, the findings of this thesis highlight the importance of the steam cycle in the performance of a nuclear power plant.Suomalainen kaukolämpöjärjestelmä on pitkään perustunut sähkön ja lämmön yhteistuotantoon. Ilmastonmuutoksen ja energiakriisin vauhdittama energia-alan murros on kuitenkin vähentänyt yhteistuotannon osuutta kaukolämmöntuotannosta. Fossiilisia polttoaineita korvaavien energialähteiden, kuten esimerkiksi biomassan ja turpeen, kestävyyteen liittyy epävarmuutta. Toisaalta vaihtoehtoiset sähköiset teknologiat, kuten lämpöpumput ja sähkökattilat, ovat osa kasvavaa sähkön kysynnän ja tarjonnan kohtaamattomuusongelmaa. Kaukolämpöjärjestelmä kaipaa luotettavaa ja kestävää lämmöntuotantoa. Pienet modulaariset ydinreaktorit (engl. SMR, Small Modular Reactor) voisivat olla osa ratkaisua tuottamalla sähkön lisäksi lämpöä. Ylimääräinen lämmöntuotanto voisi lisätä pienreaktoriprojektin kannattavuutta, ja alustavien reaktorikonseptien perusteella pienet modulaariset ydinreaktorit voisivat olla operatiivisesti joustavia. Ilman käytännön kokemusta on kuitenkin epäselvää, millaisella hyötysuhteella tällainen SMR-yhteistuotantolaitos tuottaisi lämpöä. Kysymyksen selvittämiseksi tässä diplomityössä mallinnetaan pienydinreaktorin sekundääripiiriä ja lasketaan yhteistuotantohöyrykierroille hyötysuhdetta kuvaavat COP (Coefficient of Performance) -arvot. Sekundääripiirin mallit perustuvat pieneen modulaariseen kaksoisreaktorikonseptiin, jossa on väliottoturbiini. Malleja simuloidaan Solvo-simulointiohjelmistolla. Lopuksi yhden yhteistuotantolaitoksen vuosittaista toimintaa analysoidaan Tampereen kaupunkia mallintavassa skenaariossa. Mallinnustulosten mukaan SMR-yhteistuotantolaitoksen COP-arvo asettuu välille 3-7. Teoriassa COP-arvoa voidaan suurentaa kasvattamalla höyryn paisuntaprosessia ja vähentämällä entropian syntymistä höyrykierrossa. Käytännössä tämä tarkoittaa matalapainelämmitystä, syöttöveden esilämmitystä ja jäähdytysveden lämpötilan laskemista. Kun SMR-yhteistuotantolaitos mitoitetaan paikallisen huipputehon mukaan ja sitä ajetaan lämmön kysynnän mukaan, laitos voi mallinnuksen mukaan kattaa pääosan Tampereen vuotuisesta lämmöntarpeesta. Lisäksi turbiinin kuormanseurantakyky todetaan riittäväksi ja lämpövaraston osoitetaan vähentävän huippulämmöntuotannon tarvetta. Kokonaisuudessaan tämä diplomityö korostaa höyrykierron suunnittelun tärkeyttä ydinvoimalaitoksen suorituskyvyn kannalta.Description
Supervisor
Lahdelma, RistoThesis advisor
Lehto, MikkoRetegan Vollmer, Teodora
Keywords
combined heat and power, small modular reactors, district heating, steam turbine, nuclear power, coefficient of performance