СИСТЕМА БЕЗОПАСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДА ПРИ ПОВЫШЕНИИ МОЩНОСТИ ДВУХКОНТУРНОЙ АЭС ВЫШЕ НОМИНАЛЬНОЙ
SYSTEM FOR SAFE USE OF HYDROGEN WHILE INCREASING POWER OF DOUBLE-CIRCUIT NPP ABOVE NOMINAL

Заявляемое изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на двухконтурных энергоблоках АЭС с водо-водяным энергетическим реактором.
Известна гибридная атомная электростанция, включающая ядерный реактор на тепловых нейтронах, реакторный парогенератор и паротурбинную установку, работающую на генератор. Включен дополнительный ядерный реактор в качестве источника пароперегрева, подключенного к пароперегревателю по его греющей стороне. Вход пароперегревателя по нагреваемой стороне подключен к выходу парогенератора, а выход подключен к входу паротурбинной установки (патент РФ на изобретение №2537386, МПК G21D 5/14, опубл. 10.01.2015 г.). Изобретение относится к атомной энергетике.
Недостатком гибридной атомной электростанции является дополнительный расход ядерного топлива для осуществления перегрева свежего пара перед цилиндром высокого давления (ЦВД) турбины за счет установки дополнительного ядерного реактора, что определяет снижает экономическую эффективность. Также недостатком является сложность при использовании гибридной атомной электростанции, ее значительные капитальные вложения и эксплуатационные затраты вследствие использования дополнительного ядерного реактора, что также потребует дополнительных затрат в соответствующие дополнительные системы безопасности. Все это снижает эффективность данной гибридной атомной электростанции.
Известна гибридная АЭС с дополнительной высокотемпературной паровой турбиной, содержащая последовательно соединенные ядерный реактор, низкотемпературный реакторный парогенератор, низкотемпературную паровую турбину с сепаратором-пароперегревателем, конденсатор, конденсатный насос, регенеративные подогреватели низкого давления, деаэратор, питательный насос и подогреватель высокого давления. При этом к основной низкотемпературной паровой турбине присоединяется высокотемпературный паротурбинный блок с котлом-пароперегревателем, использующий для перегрева часть пара, идущего из реакторного парогенератора, теплоту сгорания органического топлива. Перегретый высокотемпературный пар направлен к высокотемпературной паровой турбине, присоединенной к стандартной АЭС и общему реакторному парогенератору (патент РФ на изобретение №2661341, МПК G21D 5/14, опубл. 16.07.2018 г.). Изобретение относится к области атомной теплотехники.
Недостатком гибридной АЭС является снижение рабочего ресурса основного оборудования на дополнительном высокотемпературном энергоблоке из-за циклически повторяющегося пуск-остановочного режима работы. При этом в варианте использования водородного топлива, которое, очевидно, вырабатывается в ограниченном количестве, после прекращения его подачи в котел-пароперегреватель высокотемпературный энергоблок разгружается до полного останова. Это приводит к дополнительному увеличению амортизационных затрат оборудования высокотемпературного энергоблока, включая саму турбину. Также недостатком является экономическая неэффективность предложенной схемы вследствие значительных капиталовложений в оборудование высокотемпературного энергоблока, а также дополнительных топливных затрат в варианте использования органического топлива в котле-пароперегревателе, что также связано с вредными выбросами. Также недостатком является снижение КПД гибридной АЭС вследствие тепловых потерь при подаче пара после парогенератора в котел-пароперегреватель дополнительного высокотемпературного энергоблока, что определяет значительное расстояние для данного паропровода, что повлечет перерасход топлива (органического или водородного) в котле-пароперегревателе и, как следствие, дополнительное снижение экономической эффективности. Также недостатком является сложность и громоздкость предложенной схемы гибридной АЭС. Все это определяет низкую надежность и снижает эффективность данной гибридной АЭС.
Известна система повышения маневренности и безопасности АЭС, содержащая дополнительную паротурбинную установку, аккумулятор фазового перехода, бак горячей воды, причем дополнительная паротурбинная установка подключена к аккумулятору фазового перехода посредством паропровода, бак горячей воды подключен к аккумулятору фазового перехода посредством двух трубопроводов, аккумулятор фазового перехода подключен к парогенератору посредством трубопровода (патент РФ на полезную модель №164717, МПК G21D 3/18, опубл. 10.09.2016 г.).
Недостатком известной системы является снижение общего количества рабочего тела во втором контуре в режиме зарядки аккумулятора фазового перехода, что приводит к необходимости разгрузки ядерного реактора, что не эффективно вследствие явления отравления ксеноном активной зоны.
Известен способ повышения маневренности и безопасности АЭС на основе теплового и химического аккумулирования, содержащий основную паротурбинную установку (ПТУ), парогенератор (ПГ), устройство парораспределения, причем устройство парораспределения соединено с входом в основную ПТУ и ПГ посредством паропроводов, систему регенерации, электролизную установку для получения водорода и кислорода, водородные и кислородные ресиверы, водород-кислородный парогенератор, дополнительную ПТУ, бак горячей воды (БГВ), бак холодной воды (БХВ), поверхностный теплообменник, при этом дополнительная ПТУ подключена к водород-кислородному парогенератору и к устройству парораспределения посредством паропроводов, водород-кислородный парогенератор соединен с водородными и кислородными ресиверами и БГВ, БГВ соединен с поверхностным теплообменником посредством трубопровода, БХВ соединен с конденсатором дополнительной ПТУ и поверхностным теплообменником посредством трубопроводов, поверхностный теплообменник соединен также с устройством парораспределения и трактом питательной воды основного цикла (после подогревателей высокого давления системы регенерации основной ПТУ), оборудование, входящее в состав водородного хозяйства, выведено за территорию площадки АЭС (патент РФ на изобретение №2640409, МПК G21D 1/00, H02J 9/0, 09.01.2018 г.).
Недостатком известного способа является снижение рабочего ресурса дополнительной паровой турбины из-за циклически повторяющегося пуск-остановочного режима работы, связанного с разновременностью получения и использования водорода и кислорода, что приводит к увеличению амортизационных затрат. При этом водород и кислород, очевидно, вырабатываются в ограниченном количестве. Также недостатком является снижение КПД комбинированного энергоблока вследствие тепловых потерь при подаче пара после парогенератора в поверхностный теплообменник дополнительной паротурбинной установки, что связано с определенным расстоянием для данного паропровода, что повлечет соответствующий перерасход водорода и кислорода при их подаче водород-кислородный парогенератор. Все это снижает надежность и эффективность данного способа повышения маневренности и безопасности АЭС на основе теплового и химического аккумулирования.
Известен способ водородного перегрева пара на АЭС имеющей в своем составе основной реакторный парогенератор, паротурбинную установку, котел-пароперегреватель, подвод топлива и окислителя, причем подача кислорода в котел-пароперегреватель через смесительное устройство осуществляется с определенным избытком для снижения температуры продуктов сгорания и исключения недожога, при этом продукты сгорания после котла-пароперегревателя направляются в охладитель-конденсатор для отделения непрореагировавшего избытка кислорода от водяного пара путем его конденсации с последующей подачей непрореагировавшего избытка кислорода посредством компрессора обратно в смесительное устройство котла-пароперегревателя для сжигания водородного топлива и перегрева пара после основного реакторного парогенератора для повышения мощности и эффективности АЭС (патент РФ на изобретение №2661231, МПК F01K 3/180, G21D 5/16, 13.07.2018 г.).
Недостатком данного изобретения является невысокий прирост КПД и мощности энергоблока двухконтурной АЭС вследствие незначительного перегрева пара после парогенератора, поскольку теплота конденсации пара, полученного от сжигания водорода с кислородом, отводится охлаждающей воде в охладителе-конденсаторе, а также имеют место дополнительные затраты энергии на компримирование избытка окислителя для подачи в смесительное устройство котла-пароперегревателя для сжигания водородного топлива.
Наиболее близким аналогом является установка для обеспечения маневренности атомных электрических станций, содержащая ядерный реактор, парогенератор, паровую турбину, соединенную с электрогенератором, и через конденсатор и конденсатный насос с системой регенеративных подогревателей низкого давления, связанной последовательно установленными деаэратором, питательным насосом парогенератора, подогревателями высокого давления, соединенными с парогенератором, причем подогреватели низкого и высокого давления через конденсатор связаны с паровой турбиной, выходной вал которой соединен с электрогенератором, который связан с реактором для получения кислорода и водорода, за которым установлены емкости для накопления и хранения кислорода и водорода, соединенные с расположенными в технологической последовательности камерой сгорания, паровой турбиной сверхкритических параметров, вторыми конденсатором и конденсатным насосом, связанным через регулирующий клапан с подогревателями низкого давления, деаэратором, питательным насосом камеры сгорания, подогревателями высокого давления, связанными с камерой сгорания, при этом конденсатный насос соединен с резервуаром для воды, связанный с помощью насосов с реактором для получения кислорода и водорода с одной стороны и с камерой сгорания с другой, а подогреватели низкого и высокого давления соединены через второй конденсатор с паровой турбиной сверхкритических параметров, соединенной со вторым электрогенератором (патент РФ на полезную модель №70312, МПК F01K 13/02, H02J 9/0, G21D 3/08 опубл. 20.01.2008 г.).
Недостатком данной установки для обеспечения маневренности атомных электрических станций является попадание непрореагировавшего водорода и кислорода в тракт основного рабочего тела высокотемпературной паротурбинной установки с образованием гремучей смеси после камеры сгорания, в которой происходит выработка и перегрев основного пара за счет смешения с паром, полученного от сжигания водорода с кислородом, также недостатком является снижение рабочего ресурса оборудования паротурбинной установки со сверхкритическими параметрами вследствие циклически повторяющегося пуск-остановочного режима работы, связанного с разновременностью получения и использования водорода и кислорода. Также недостатком является сложность и громоздкость предложенной схемы. Все это определяет низкую надежность и снижает безопасность и эффективность данной установки для обеспечения маневренности атомных электрических станций.
Задачей настоящего изобретения является повышение безопасности использования водорода при повышении мощности энергоблока двухконтурной АЭС выше номинальной.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения является повышение безопасности использования водорода при его сжигании с кислородом с целью повышения мощности двухконтурной АЭС выше номинальной за счет использования дополнительного паро-водяного подогревателя питательной воды поверхностного типа и перегревателя пара после парогенераторов поверхностного типа, а не смешивающего, а также использование каталитического дожигателя непрореагировавшего водорода с кислородом поверхностного типа, что исключает попадание непрореагировавшего водорода с кислородом в тракт основного рабочего тела с образованием гремучей смеси.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе безопасного использования водорода при повышения мощности двухконтурной АЭС выше номинальной, содержащей водород-кислородную камеру сгорания, соединенную с магистралями подачи водорода и кислорода и по питательной воде с подогревателями высокого давления согласно изобретения содержит дополнительный паро-водяной подогреватель питательной воды, который соединен по питательной воде с подогревателями высокого давления и с парогенератором, а парогенератор соединен трубопроводами с реактором, а по пару с пароперегревателем, который соединен с паровой турбиной и с трубопроводом подачи пара, полученного от сжигания водорода в кислороде и при этом дополнительный паро-водяной подогреватель питательной воды и пароперегреватель выполнены поверхностного типа, а пароперегреватель содержит зону охлаждения и зону конденсации водяного пара, полученного от сжигания водорода с кислородом, а также зону каталитического дожигания непрореагировавшего водорода с кислородом поверхностного типа.
Повышение безопасности использования водорода достигается тем, что пар, полученный от сжигания водорода в кислороде первоначально используется для дополнительного подогрева питательной воды выше номинальной температуры, но не выше температуры кипения при данном давлении перед подачей в парогенератор без смешения с питательной водой посредством теплообменной поверхности. Это позволяет увеличить производительность питательных насосов с целью обеспечения постоянства тепловой мощности ядерного реактора. В свою очередь, это приводит к увеличению производительности парогенератора. При этом весь выработанный пар в парогенераторах перед подачей в турбину перегревается за счет охлаждения и конденсации пара, полученного от сжигания водорода в кислороде без смешения, посредством теплообменной поверхности. При этом пар от сжигания водорода в кислороде поступает в пароперегреватель после дополнительного подогрева питательной воды. Это приводит к повышению температуры пара при входе в турбину выше номинальной. С целью полного удаления непрореагировавшего водорода и кислорода из пара, полученного от сжигания водорода в кислороде предусмотрен специальный каталитический дожигатель поверхностного типа, причем таким образом, что тепло от дожигания передается пару после парогенератора.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлена система безопасного использования водорода при повышении мощности двухконтурной АЭС выше номинальной. Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - дополнительный паро-водяной подогреватель поверхностного типа; 2 - водород-кислородная камера сгорания; 3 - парогенератор; 4 - зона конденсации пароперегревателя поверхностного типа; 5 - зона охлаждения пароперегревателя поверхностного типа; 6 - каталитический дожигатель непрореагировавшего водорода поверхностного типа; I - подача питательной воды после подогревателей высокого давления; II, III - подача водорода и кислорода соответственно; IV - пар начальных параметров после парогенератора; V - перегретый пар в турбину; VI - водяной пар, полученный от сжигания водорода в кислороде; VII - конденсат пара от сжигания водорода в кислороде; VIII, IX - вход и выход соответственно теплоносителя первого контура.
Система безопасного использования водорода при повышении мощности двухконтурной АЭС выше номинальной включает дополнительный паро-водяной подогреватель поверхностного типа 1 с присоединенной водород-кислородной камерой сгорания 2. Дополнительный паро-водяной подогреватель 1 соединен с парогенератором 3 по питательной воде. Парогенератор 3 соединен трубопроводами с реактором, а по пару с зонами охлаждения 5 и конденсации 4 пароперегревателя поверхностного типа. Пароперегреватель по пару соединен с каталитическим дожигателем непрореагировавшего водорода и кислорода поверхностного типа бис трубопроводом подачи перегретого пара в турбину, а также с трубопроводом подачи пара, полученного от сжигания водорода с кислородом.
Система безопасного использования водорода при повышении мощности двухконтурной АЭС выше номинальной работает следующим образом.
Выработанные водород и кислород методом электролиза воды в ночной провальный внепиковый период электрической нагрузки двухконтурной АЭС и запасенные в системе хранения используются в пиковый период электрической нагрузки путем подачи по соответствующим магистралям II и III. При этом первоначально предполагается осуществление сжигания водорода в кислороде в водород-кислородной камере сгорания 2, соединенной с дополнительным подогревателем питательной воды поверхностного типа 1, который устанавливается после подогревателей высокого давления и соединен с ними по трубопроводу I. Дополнительный подогрев питательной воды осуществляется выше номинальной температуры, но не выше температуры кипения при данном давлении перед подачей в парогенератор 3. Это позволяет увеличить производительность питательных насосов с целью большей подачи питательной воды в единицу времени в парогенератор 3 и при этом с обеспечением постоянства тепловой мощности ядерного реактора, соединенного с парогенератором по теплоносителю VIII и XI. Это в свою очередь приводит к увеличению производительности парогенератора 3 в единицу времени и в результате в турбину поступает большее количество рабочего тела. При этом после парогенератора 3 посредством соединительного трубопровода IV с пароперегревателем поверхностного типа, содержащего зону охлаждения 5 и зону конденсации 4 водяного пара VI, полученного от сжигания водорода в кислороде, весь выработанный в парогенераторе 3 пар перегревается, что приводит к повышению его температуры при входе в турбину выше номинальной V. С пароперегревателем, а именно с зоной охлаждения 5 дополнительно соединена зона каталитического дожигания поверхностного типа 6 непрореагировавшего водорода, что позволяет полностью его удалить из цикла с использованием полученного тепла от дожигания в пользу перегреваемого пара. Замкнутость водородного цикла обеспечивается посредством соединения выхода конденсата пара VII, полученного от сжигания водорода в кислороде и его подачи в электролиз.
Отличительным признаком заявляемого изобретения является повышение безопасности использования водорода при повышении мощности энергоблока двухконтурной АЭС выше номинальной за счет использования дополнительного паро-водяного подогревателя, пароперегревателя и каталитического дожигателя непрореагировавшего водорода поверхностного типа, а не смешивающего.