СИСТЕМА СЖИГАНИЯ ВОДОРОДА ДЛЯ ПАРОВОДОРОДНОГО ПЕРЕГРЕВА СВЕЖЕГО ПАРА В ЦИКЛЕ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
HYDROGEN COMBUSTION SYSTEM FOR STEAM-HYDROGEN LIVE STEAM SUPERHEATING IN CYCLE OF NUCLEAR POWER PLANT

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на паротурбинных установках атомных электрических станций (АЭС) при температуре рабочего тела ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом (450°С).
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 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 цилиндр высокого давления турбины.
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 менее эффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие применения принудительного наружного охлаждения камеры сгорания, что связано 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. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле АЭС.
При температурах рабочего тела, превышающих 450°С, необходимость в запальном устройстве отпадает, так как обеспечивается самовоспламеняемость водород-кислородной смеси.
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 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. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара.
Известен также 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).
Однако недостаток мини-парогенератора также заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их 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. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара.
2
2
Известно электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной, включающее паровой котел, высокотемпературный Н/О - 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 турбиной 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).
Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является 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. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровых АЭС.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровых 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.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции, включающей водород-кислородный парогенератор, согласно изобретению, водород-кислородный парогенератор снабжен запальным устройством, а система содержит 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.
Целесообразно, чтобы водород-кислородная камера сгорания первоначального нестехиометрического окисления была расположена отдельно от дожигающей водород-кислородной камеры сгорания стехиометрического окисления и сообщалась с ней соединительным трубопроводом.
Использование системы водород-кислородного сжигания повышает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровых АЭС.
Это достигается тем, что 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) сверх номинальной 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.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлена схема сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле АЭС. 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.
Система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле АЭС 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), и подачу водорода в дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления 3 по подводящим магистралям 4. Дожигающая водород-кислородная камера сгорания стехиометрического окисления 3 помещается в специальной полости смешения 5 высокотемпературного пара со свежим паром.
Система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле АЭС 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 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, представляющую собой диффузор, размещенный в полости смешения 5 на участке перед ЦВД паровой турбины, 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, перегревая его до более высокой температуры. При этом свежий пар до смешения с высокотемпературным паром омывает снаружи дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления 3, обеспечивая ее охлаждение.
Отличительным признаком предложенного изобретения является надежное и эффективное осуществление перегрева свежего пара в цикле АЭС при его температуре (свежего пара), которая ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом.