СИСТЕМА СЖИГАНИЯ ВОДОРОДА В ЦИКЛЕ АЭС С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДОРОД-КИСЛОРОДНОГО ПАРА
COMBUSTION SYSTEM OF HYDROGEN IN NUCLEAR POWER PLANT CYCLE WITH TEMPERATURE CONTROL OF HYDROGEN-OXYGEN STEAM

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на паротурбинных установках АЭС при температуре рабочего тела ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом (450°С).
Известна принципиальная схема двухконтурной АЭС с водородным перегревом пара (см., например, Малышенко С.П., Назарова О.В., Сарумов Ю.А. Некоторые термодинамические и технико-экономические аспекты применения водорода как энергоносителя в энергетике // Атомно-водородная энергетика и технология. М.: Энергоатомиздат. 1986. Вып.7, с.106-108). Водород и кислород вырабатываются в электролизере, сжимаются компрессорами до давления, соответствующего давлению пара на входе в паровую турбину и поступают в соответствующие хранилища. За счет высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде при стехиометрическом соотношении в камере сгорания водородного пароперегревателя, подмешиваемых в рабочее тело перед паровой турбиной, осуществляется перегрев водяного пара. Вследствие этого повышается КПД паросилового цикла и осуществляется дополнительная выработка электроэнергии.
Недостаток известной схемы заключается в постоянном принудительном водяном охлаждении, что снижает эффективность использования теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде, в связи со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды. Кроме этого, недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения камеры сгорания балластировочной водой, что со временем становится причиной неработоспособного состояния водородного пароперегревателя. Также недостатком является менее эффективное охлаждение водород-кислородного пара в камере сгорания балластировочной водой, поскольку охлаждение осуществляется через разделяющую стенку вследствие использования рубашки охлаждения, что не допускает прямого контакта балластировочной воды с охлаждаемой средой. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.
Известен парогенератор, содержащий запальное устройство с электросвечой и магистралями подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), смесительную головку с огневым днищем, коллекторами окислителя (кислорода) и горючего (водорода) и соответствующими магистралями, камеры сгорания и смешения, промежуточное сопло с профилированными стенками, вкладыш подачи балластировочного компонента с магистралью подвода балластировочного компонента, при этом смесительная головка содержит триплетные смесительные элементы с обеспечением соударения струй, профилированную торцевую стенку промежуточного сопла, расположенного между камерой сгорания и камерой смешения, выполненную оптимизированной по углу внедрения струй балластировочного компонента в факел продуктов сгорания и по линиям тока балластировочного компонента вдоль этой торцевой стенки для исключения отрыва потока балластировочного компонента от этой стенки, вкладыш подачи балластировочного компонента выполнен с отверстиями, обеспечивающими разнокалиберность струй балластировочного компонента (см. патент РФ на изобретение №2309325, МПК F22B 1/26, опубл. 27.10.2007 г.). Известный парогенератор предназначен для использования в газо- и паротурбинных установках, в которых генерируется пар посредством перемешивания высокотемпературных продуктов сгорания водорода и кислорода с балластировочным компонентом - водой или водяным паром. При этом применяется наружное принудительное водяное охлаждение камеры сгорания, вследствие образования факела высокой температуры (порядка 3000°С).
Недостаток известного парогенератора заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в камере сгорания и в камере смешения, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды по сравнению с их охлаждением в процессе осуществления перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки, например свежего пара АЭС. Кроме этого, недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения камеры сгорания балластировочной водой и магистрали подвода балластировочной воды, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогенератора. Также недостатком является менее эффективное охлаждение водород-кислородного пара балластировочной водой в камере сгорания, поскольку охлаждение осуществляется через разделяющую стенку вследствие использования рубашки охлаждения, что не допускает прямого контакта балластировочной воды с охлаждаемой средой. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева пара в цикле влажно-паровой АЭС.
Известен мини-парогенератор, работающий на химическом топливе кислород-водород с добавлением балластировочной воды и электрическим воспламенением, включающий узел зажигания, камеру сгорания, камеру смешения, подводящие магистрали, в том числе для подвода окислителя (кислорода), горючего (водорода), балластировочной воды, в котором узел зажигания и камера смешения объединены в единый узел воспламенительной форкамеры и смесительной головки с обеспечением подачи балластировочной воды наружного охлаждения камеры сгорания под углом к направлению потока продуктов сгорания, истекающих из промежуточного сопла, разделяющего камеры сгорания и смешения, при этом балластировочная вода подается под углом к потоку продуктов сгорания при заданном масштабе смешения, выход струи продуктов сгорания в камеру смешения осуществлен по принципу внезапного расширения для обеспечения требуемого уровня равномерности поля температур при подаче всего расхода балластировочной воды в одном поясе, что, в свою очередь, реализует охлаждение камеры сгорания полным расходом балластировочной воды (см. патент РФ на изобретение №2300049, МПК F22B 1/26, опубл. 27.05.2007 г.). Мини-парогенератор предназначен для использования в газо- и паротурбинных установках, в которых генерируется пар посредством перемешивания высокотемпературных продуктов сгорания водорода и кислорода с балластировочным компонентом - водой или водяным паром. При этом применяется наружное принудительное водяное охлаждение камеры сгорания, вследствие образования факела высокой температуры (порядка 3000°С).
Недостаток мини-парогенератора заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в камере сгорания и в камере смешения, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды по сравнению с их охлаждением в процессе осуществления перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки, например свежего пара АЭС. Кроме этого, недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения камеры сгорания балластировочной водой, что со временем становится причиной неработоспособного состояния мини-парогенератора. Также недостатком является менее эффективное охлаждение водород-кислородного пара в камере сгорания балластировочной водой, поскольку охлаждение осуществляется через разделяющую стенку вследствие использования рубашки охлаждения, что не допускает прямого контакта балластировочной воды с охлаждаемой средой. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.
Известен водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания (см. патент РФ на изобретение №2358191, МПК F22B 1/26, опубл. 10.06.2009 г.). Изобретение предназначено для выработки пара и может быть использовано в парогенераторах. Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания работает на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеет электрическое воспламенение, содержит камеру сгорания с цилиндрической частью и промежуточным соплом, посредством которого она соединена с камерой смешения, камеру смешения с выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды, при этом камера сгорания выполнена с охлаждающим трактом, разделенным на две части, - трактом охлаждения цилиндрической части камеры сгорания водородом и трактом охлаждения промежуточного сопла камеры сгорания балластировочной водой. Изобретение обеспечивает возможность повышения давления и температуры в парогенераторе и улучшает эффективность его работы.
Недостаток известного водородного высокотемпературного парогенератоа с комбинированным охлаждением камеры сгорания заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в цилиндрической части камеры сгорания, что связано с отведением значительного количества теплоты водороду, а также постоянного принудительного охлаждения в промежуточном сопле и в камере смешения, что связано с отведением значительного количества теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды по сравнению с их охлаждением в процессе осуществления перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки, например свежего пара АЭС. Кроме этого, недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения промежуточного сопла балластировочной водой и магистрали подвода балластировочной воды, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогенератора. Также недостатком является менее эффективное охлаждение водород-кислородного пара балластировочной водой в полости промежуточного сопла, поскольку охлаждение осуществляется через разделяющую стенку вследствие использования рубашки охлаждения, что не допускает прямого контакта балластировочной воды с охлаждаемой средой. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.
Известен водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения (см. патент РФ на изобретение №2358190, МПК F22B 1/26, опубл. 10.06.2009). Изобретение предназначено для выработки пара и может быть использовано в парогенераторах. Парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения работает на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеет электрическое воспламенение, содержит камеру сгорания с системой охлаждения и промежуточным соплом, камеру смешения с магистралью для подачи балластировочной воды и выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды. В камере смешения установлен цилиндрический пористый вкладыш, обеспечивающий комбинированное испарительное охлаждение камеры смешения, смачивание которого обеспечивают орошением балластировочной водой, поступающей из системы охлаждения камеры сгорания и магистрали для подачи балластировочной воды в камеру смешения. Изобретение обеспечивает эффективное охлаждение камеры смешения, увеличивает температуру и давление генерируемого пара.
Недостаток известного водородного высокотемпературного парогенератора заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в цилиндрической части камеры сгорания, что связано с отведением значительного количества теплоты водороду, а также постоянного принудительного охлаждения в промежуточном сопле и в камере смешения, что связано с отведением значительного количества теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды по сравнению с их охлаждением в процессе осуществления перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки, например свежего пара АЭС. Также недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения промежуточного сопла и камеры смешения балластировочной водой и в соответствующих магистралях подвода балластировочной воды, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогенератора. Кроме этого, недостатком является менее эффективное охлаждение водород-кислородного пара балластировочной водой, поскольку охлаждение осуществляется через разделяющую стенку промежуточного сопла вследствие использования рубашки охлаждения, что не допускает прямого контакта балластировочной воды с охлаждаемой средой. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.
Известен парогенератор (варианты) (см. патент РФ на изобретение №2431079, МПК F22B 1/26, опубл. 10.10.2011). Изобретение обеспечивает интенсификацию испарения балластной воды за счет лучшего перемешивания с продуктами сгорания топлива в широком диапазоне температур и давлений генерируемого пара, а также повышение надежности охлаждения камеры сгорания парогенератора. Достижение поставленной задачи решается двумя вариантами конструкций парогенератора. В первом варианте изобретения предлагается конструкция парогенератора, который состоит из расположенных соосно и последовательно смесительной головки с узлом зажигания, охлаждаемой камеры сгорания, камеры смешения с соплом, внутренние полости которых образуют единый рабочий канал, а также включает подводящие магистрали окислителя, горючего и балластной воды. Смесительная головка снабжена расположенной в канале подвода окислителя по оси головки центробежной форсункой подвода части балластной воды. Между камерой сгорания и камерой смешения расположен узел ввода оставшейся части балластной воды, представляющий собой цилиндрическую вставку, снабженную центробежной форсункой, расположенной по оси камеры сгорания и направленной внутрь рабочего канала камеры сгорания. Парогенератор по второму варианту отличается от первого варианта конструкцией узла подачи балластной воды, который представляет собой вставку, имеющую внутренний сужающийся участок, диаметр которого на входе равен диаметру рабочего канала камеры сгорания. На поверхности сужающего участка вставки равномерно по окружности расположены под углом к оси камеры сгорания три или более центробежные форсунки, направленные внутрь рабочего канала камеры сгорания.
Недостаток известного парогенератора (варианты) заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в камере сгорания и при смешении, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды по сравнению с их охлаждением в процессе осуществления перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки, например свежего пара АЭС. Также недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения камеры сгорания балластировочной водой и в магистралях подвода балластировочной воды, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогенератора. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.
Известен способ образования пара в парогазогенераторе и устройство для его осуществления (см. патент РФ на изобретение №2371594, МПК F02C 6/00, опубл. 27.10.2009). Изобретение заключается в том, что сжигают компоненты топлива, испаряют воду и разогревают пар за счет полученной энергии, образуют в камере сгорания водяную вихреобразную оболочку с разрежением внутри ее центральной области, внутри этой области сжигают компоненты топлива, а интенсивное испарение воды и разогрев пара осуществляют после свертывания вихреобразной водяной оболочки. Предлагаемый способ реализован в парогазогенераторе, содержащем камеру сгорания, запальное устройство, испарительную камеру, устройство подвода воды, в котором согласно изобретению подвод воды расположен в верхней части камеры сгорания (возле головки) и выполнен в виде втулки с тангенциальными каналами для закручивания водяного потока и образования вихреобразной оболочки, а в испарительной камере установлена диафрагма, выполненная в виде сопла, расположенного в месте свертывания вихреобразной водяной оболочки, причем диафрагма расположена широким срезом сопла внутрь камеры испарения. Предложенное изобретение позволяет повысить эффективность, снизить тепловую нагрузку на элементы конструкции устройства за счет более эффективного охлаждения и упростить конструкцию.
Недостаток известного парогазогенератора заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в камере сгорания, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды по сравнению с их охлаждением в процессе осуществления перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки, например, свежего пара АЭС. Кроме этого, недостатком является образование солевых отложений в магистралях подвода балластировочной воды и во втулках с тангенциальными каналами, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогазогенератора. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.
Известно запальное устройство, содержащее корпус, рубашку охлаждения, кольцевой коллектор окислителя, расположенный на входе, магистраль горючего, центральный электрод свечи зажигания, при этом рубашка охлаждения выполнена в виде каналов, образованных продольными ребрами и наклоненных на выходе к продольной оси под углом, равным 37-52°, центральный электрод свечи зажигания расположен в магистрали горючего, на внутренней поверхности коллектора окислителя выполнены радиальные выступы, в которых установлены струйные форсунки окислителя, направленные к электроду свечи зажигания (см. патент РФ на изобретение №2084767, МПК F23Q 3/00, опубл. 20.07.1997 г.). Запальное устройство предназначено для использования в силовых установках, работающих на энергии сжигаемых несамовоспламеняющихся высококалорийных топлив, преимущественно водород-кислородного, в частности, для запуска парогенераторов, газотурбинных установок, жидкостных реактивных двигателей, мартеновских печей и т.д. В известном запальном устройстве реализован принцип двухступенчатого сжигания водорода с кислородом, когда первоначально происходит ионизирование водорода в среде кислорода с образованием факела, который при избытке кислорода смешивается со вновь подаваемой долей водорода, на выходе из форкамеры в нестехиометрическом соотношении. При этом вторичная подача водорода осуществляется через охлаждающие каналы форкамеры запального устройства.
Недостатком известного запального устройства является то, что оно обеспечивает неполное сгорание водорода в кислороде, вследствие чего не приводит к перегреву свежего пара АЭС до необходимой температуры при входе в турбину и не обеспечивает понижение (регулирование) температуры водородно-кислородного пара. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.
Известно электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной, включающее паровой котел, высокотемпературный Н2/O2 - пароперегреватель, теплоутилизационный котел, паровую турбину с электрогенератором и конденсатором, установку для получения водорода из природного газа методом конверсии, установку для производства кислорода методом разделения воздуха, а суммарные примеси неконденсирующихся газов при температуре от 20 до 100°С в водороде и кислороде должны быть менее 0,5% по объему, причем входы в высокотемпературный пароперегреватель соединены с выходом парового котла и выходами из установок для производства водорода и кислорода с расходами по водороду и кислороду в пропорциях близких (около ±1%) к стехиометрическим для обеспечения их полного сгорания в среде водяного пара без промежуточной теплообменной поверхности, а выход высокотемпературного пароперегревателя соединен с входом в паровую турбину, причем выход установки для производства водорода по уходящим газам соединен с газовым трактом теплоутилизационного котла, и, кроме того, выход из теплоутилизационного котла по пару соединен с промежуточным вводом в паровую турбину и (или) системой охлаждения проточной части паровой турбины (см. патент РФ на полезную модель №64699, МПК F01K 13/00, опубл. 27.05.2007 г.). Устройство предназначено для производства электроэнергии с использованием высокотемпературной паровой турбины с комбинированным, в том числе водородным, топливом.
Недостатком данной полезной модели является невозможность ее использования в случае, когда получаемый водяной пар имеет температуру меньше, чем температура самовоспламенения водорода в смеси с кислородом (450°С), а также когда расход пара снижен или полностью отсутствует, поскольку не обеспечивается понижение (регулирование) температуры водородно-кислородного пара.
Известен способ повышения КПД и мощности двухконтурной атомной станции (см. патент РФ на изобретение №2335641, МПК F01K 3/18, G21D 5/16, опубл. 10.10.2008). Устройство для реализации предлагаемого способа содержит последовательно соединенные реактор, парогенератор, циркуляционный насос, подсоединенную через водородную форсунку к выходу парогенератора водородную камеру сгорания, турбину, состоящую из высокотемпературного цилиндра высокого давления, цилиндра среднего давления и цилиндра низкого давления, валом соединенных с генератором, конденсатор, установленный на выходе цилиндра низкого давления, подключенный через питательный насос к входу парогенератора. Выход парогенератора по пару одновременно соединен с входом в водородную форсунку водородной камеры сгорания через вентиль и при помощи паропровода с внутренним пространством водородной камеры сгорания, выход водородной камеры сгорания по пару соединен с входом в цилиндр высокого давления.
Недостатком данного изобретения является невозможность осуществления сжигания водорода в паровой среде, температура которой ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом, а так же когда расход пара снижен или полностью отсутствует, поскольку не обеспечивается понижение (регулирование) температуры водородно-кислородного пара. Это снижает надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.
Известен вихревой водород-кислородный пароперегреватель (см. патент РФ на изобретение №2361146, МПК F22G 1/16, опубл. 10.07.2009). Вихревой водород-кислородный пароперегреватель, содержащий запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, дополнительно содержит диафрагмированное выходное сопло, а также патрубок и кольцевой канал подачи вторичного пара, конический стабилизатор пламени, пламенную трубу, аксиальное закручивающее устройство, конический стабилизатор пламени, зону смешения вторичного пара с окислителем. Водяной пар из котла или низкотемпературного перегревателя с температурой 100-250°С перегревается сжиганием водорода в кислороде и смешивается с основным паром. Изобретение обеспечивает повышение качества равномерности температурного поля на выходе из пароперегревателя, обеспечение возможности регулирования температуры горения, обеспечение условий устойчивого горения.
Недостатком данного изобретения является невозможность работы данной системы в условиях сниженного расхода водяного пара или полном его отсутствии из котла или низкотемпературного перегревателя, поскольку не обеспечивается понижение (регулирование) температуры водородно-кислородного пара. Это снижает надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.
Наиболее близким аналогом является система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции (см. патент РФ №2427048, МПК G21D 5/16, F22B 1/26, F01K 3/18, опубл. 10.11.2010 г.). Система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле АЭС, включающая водород-кислородный парогенератор, снабженный запальным устройством, содержащая магистрали подвода окислителя (кислорода) и горючего (водорода), водород-кислородную камеру сгорания первоначального нестехиометрического окисления, дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления, полость смешения высокотемпературного пара со свежим паром на участке перед цилиндром высокого давления паровой турбины, при этом дожигающая водород-кислородная камера сгорания стехиометрического окисления выполнена в виде диффузора, размещенного в полости смешения высокотемпературного пара со свежим паром, в связи, с чем камера сгорания охлаждается за счет обтекания свежим паром.
Система сжигания предназначена для осуществления паро-водородного перегрева свежего пара в цикле АЭС с температурой меньшей, чем температура самовоспламенения водорода в смеси с кислородом.
Недостатком данного изобретения является невозможность работы системы в условиях сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии, поскольку не обеспечивается понижение (регулирование) температуры водород-кислородного пара. Это снижает надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение эффективности и повышение надежности работы системы сжигания водорода в цикле влажно-паровой АЭС.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является возможность осуществления паро-водородного перегрева свежего пара при его температуре, которая ниже, чем температура самовоспламенения водорода в смеси с кислородом с обеспечением регулирования температуры водород-кислородного пара в условиях сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии, посредством прямого контакта охлаждающей воды с водород-кислородным паром в дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления.
Указанный технический результат достигается тем, что в цикле атомной электрической станции в системе сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара, снабженной запальным устройством, содержащей магистрали подвода окислителя (кислорода) и горючего (водорода), водород-кислородную камеру сгорания первоначального нестехиометрического окисления, дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления, полость смешения высокотемпературного пара со свежим паром на участке перед цилиндром высокого давления паровой турбины, при этом дожигающая водород-кислородная камера сгорания стехиометрического окисления выполнена в виде диффузора, размещенного в полости смешения высокотемпературного пара со свежим паром, согласно изобретению, к дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления подсоединены магистрали подачи балластировочной воды со встроенными форсунками, при этом магистрали подачи балластировочной воды пролегают вдоль камеры сгорания стехиометрического окисления с противоположных сторон, а встроенные форсунки сообщаются с внутренней областью дожигающей водород-кислородной камеры сгорания стехиометрического окисления.
Использование системы сжигания водорода с регулированием температуры водород-кислородного пара обеспечивает эффективность паро-водородного перегрева свежего пара и повышает надежность работы системы сжигания водорода. Это достигается тем, что в режиме нормального расхода свежего пара на турбину в водород-кислородной камере сгорания первоначального нестехиометрического окисления, с помощью запального устройства происходит образование смеси водяного пара с недореагировавшим кислородом при температуре, обеспечивающей самовоспламенение водорода в дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления. Относительно невысокий уровень температуры горения в водород-кислородной камере сгорания первоначального нестехиометрического окисления (порядка 500-600°С) не требует использования охлаждающего балластировочного компонента. Последующее окисление оставшейся доли водорода в стехиометрическом соотношении с кислородом в дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления, расположенной на участке перед цилиндром высокого давления (ЦВД) паровой турбины, осуществляется путем самовоспламенения без использования запальных устройств и охлаждающего балластировочного компонента, так как охлаждающей средой в этом случае служит свежий пар, поступающий в турбоустановку. За счет этого полностью исключена проблема солевых отложений. Полученный высокотемпературный водяной пар в дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления смешивается со свежим паром и приводит к повышению его температуры, что обеспечивает выработку энергоблоком дополнительной (пиковой) сверхноминальной мощности за счет увеличения теплоперепада и расхода пара в паровой турбине. Таким образом, достигается возможность осуществления перегрева свежего пара при его температуре, которая заметно ниже (по меньшей мере, на 175°С) температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом.
В режиме сниженного расхода свежего пара на турбину или полном его отсутствии (например, в аварийном режиме) использование системы водород-кислородного сжигания обеспечивает регулирование температуры водород-кислородного пара. Это достигается тем, что к дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления подсоединены магистрали подачи балластировочной воды со встроенными в них форсунками, через которые во внутреннюю область камеры сгорания стехиометрического окисления впрыскивается балластировочная вода, посредством которой обеспечивается регулирование температуры водород-кислородного пара.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлена система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара. Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - водород-кислородная камера сгорания первоначального нестехиометрического окисления; 2 - запальное устройство; 3 - дожигающая водород-кислородная камера сгорания стехиометрического окисления; 4 - подводящие магистрали, осуществляющие подачу водорода в дожигающую водород-кислородную камеру сгорания 3; 5 - полость смешения высокотемпературного пара со свежим паром; 6 - подводящие магистрали, осуществляющие подачу балластировочной воды к форсункам; 7 - форсунки, осуществляющие впрыск балластировной воды во внутреннюю область дожигающей водород-кислородной камеры сгорания.
Система сжигания водорода в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара в режиме нормального расхода свежего пара на турбину включает подачу пара от паропроизводящей установки (ППУ) энергоблока АЭС, подачу водорода и кислорода из системы хранения в водород-кислородную камеру сгорания первоначального нестехиометрического окисления 1 с запальным устройством 2, содержащим единый узел зажигания, запальную свечу (электросвечу), подачу водорода в дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления 3 по подводящим магистралям 4, а в режиме сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии (например, в аварийном режиме) помимо перечисленного за исключением подачи пара от паропроизводящей установки энергоблока АЭС включает еще подачу охлаждающей воды в дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления 3 по подводящим магистралям 6, встроенные форсунки 7, через которые производится впрыск охлаждающей воды во внутреннюю область дожигающей водород-кислородной камеры сгорания стехиометрического окисления 3. Дожигающая водород-кислородная камера сгорания стехиометрического окисления 3 помещается в специальной полости смешения 5 высокотемпературного пара со свежим паром.
Система сжигания водорода в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара работает следующим образом.
В часы провала электрической нагрузки, в энергосистеме выработанные водород и кислород в электролизной установке при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов аккумулируются в емкостях хранения. В режиме нормального расхода свежего пара на турбину в часы пиковых электрических нагрузок в энергосистеме водород и кислород отбираются из емкостей хранения и при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов компримируются до давления рабочего тела в паросиловом цикле, поступают в водород-кислородную камеру сгорания первоначального нестехиометрического окисления 1, где за счет запального устройства 2 происходит окисление водорода в нестехиометрическом соотношении с кислородом без использования охлаждающего балластировочного компонента. В результате образуется водяной пар с содержанием доли недореагировавшего кислорода при температуре смеси соответствующей самовоспламенению водорода. Полученная смесь водяного пара с недореагировавшей долей кислорода поступает в специальную дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления 3, где происходит окисление вновь подаваемой доли водорода за счет его самовоспламенения в стехиометрическом соотношении. Образующийся при этом высокотемпературный водяной пар на выходе из дожигающей дополнительной водород-кислородной камеры сгорания стехиометрического окисления 3 смешивается со свежим паром, поступающим в турбоустановку в полости смешения 5, перегревая его до более высокой температуры. Дожигающая водород-кислородная камера сгорания стехиометрического окисления 3 представляет собой диффузор, размещенный в полости смешения 5. Свежий пар до смешения с высокотемпературным паром омывает снаружи дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления 3, обеспечивая ее охлаждение.
В режиме сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии (например, в аварийном режиме) посредством магистралей подачи балластировочной воды 6 со встроенными форсунками 7, обеспечивающие прямой контакт балластировочной воды с высокотемпературным водород-кислородным паром, осуществляется регулирование его температуры и использование в соответствующем турбоагрегате.
Отличительным признаком предложенного изобретения является надежная и эффективная работа системы сжигания водорода в цикле АЭС в условиях сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии.