ТУРБИННАЯ УСТАНОВКА АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (ВАРИАНТЫ)
NUCLEAR POWER STATION TURBINE PLANT (VERSIONS)

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на атомных электрических станциях (АЭС) с промежуточным перегревом пара.
Известна парогазовая установка, содержащая подключенную к парогенератору паровую турбину насыщенного пара, между цилиндрами которой установлены сепаратор и паровой промежуточный пароперегреватель. Параллельно последнему включен газовый промежуточный пароперегреватель, сообщенный по греющей среде с выхлопным трактом газовой турбины. Газовая часть установки включает также компрессор, камеру нагрева и газовый подогреватель питательной воды паровой турбины, включенный в выхлопной тракт газовой турбины последовательно за пароперегревателем и соединенный с входом компрессора, т.е. газовая часть установки замкнута. Газовый подогреватель включен по питательной воде параллельно регенеративному подогревателю паровой турбины (остальные регенеративные подогреватели на чертеже не изображены). Установка снабжена системой получения и хранения водорода и кислорода, подключенной к камере нагрева, которая, в свою очередь, соединена с паровой турбиной (см. авт. свид. СССР на изобретение №1163681, МПК F01K 23/10, опубл. 15.12.1985 г.). Парогазовая установка предназначена для использования во время пиков электрической нагрузки в энергосистеме. Это осуществляется за счет того, что теплота от сжигания водорода с кислородом в камере нагрева подводится к рабочему телу газовой турбины, повышая его температуру и, тем самым, достигается большая выработка мощности. При этом нагрев рабочего тела осуществляется через разделяющую теплообменную поверхность. Отработавшее рабочее тело в газовой турбине отдает оставшуюся теплоту пару паротурбинной установки при промежуточном перегреве, вытесняя, тем самым, весь пар, предназначенный для осуществления промежуточного перегрева и который срабатывает в паровой турбине, повышая мощность паротурбинной установки.
Недостатком известной парогазовой установки является возникновение переменного расхода рабочего тела паротурбинной установки при переходе в пиковый режим работы и при выходе из него, а также невозможность вытеснения пара, предназначенного для осуществления промежуточного перегрева основного пара в случае, если по каким-либо причинам увеличение пропуска пара в паровую турбину оказывается недопустимым и, как следствие, не приведет к повышению мощности паротурбинной установки. Также недостатком является больший расход водорода и кислорода для осуществления нагрева рабочего тела газовой турбины, поскольку нагрев осуществляется через разделяющую теплообменную поверхность. При этом необходимо использовать принудительное охлаждение образующегося высокотемпературного пара при окислении водорода кислородом специальной охлаждающей водой, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния охлаждающей воды и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте внешнего охлаждения устройства сгорания охлаждающей водой, что со временем становится причиной неработоспособного состояния пароводородного нагревателя и снижает эффективность использования подведенной теплоты водородного топлива. Это снижает надежность парогазового энергоблока, а также эффективность и экономичность (по расходу водорода и кислорода) осуществления пароводородного нагрева рабочего тела газовой турбины.
Известна принципиальная схема двухконтурной АЭС с пароводородным перегревом пара на параллельно подключенной к основной (сателлитной) турбоустановке (см., например, статью 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.116-117). Схема предназначена для достижения маневренности энергоблока АЭС. На сателлитную турбоустановку подается часть основного пара путем его разделения перед цилиндром высокого давления основной турбины АЭС. При входе в сателлитную турбоустановку осуществляется пароводородный перегрев пара. При всех нагрузках тепловая мощность реактора и расход пара поддерживаются постоянными, так что открытие дроссельных клапанов, установленных на линии подачи пара в основную и сателлитную турбины, приводит к изменению расхода пара через турбины, а значит, к изменению общей мощности турбоагрегатов. Увеличение расхода пара через сателлитную турбину при одновременном снижении его через основную турбину сопровождается ростом общей мощности энергоустановки, благодаря чему становится возможным плавное регулирование мощности и покрытие графика электрической нагрузки. Таким образом, достигается регулирование мощности энергоблока АЭС.
Недостатком известной схемы является использование сателлитной турбоустановки только через разгрузку основной турбоустановки, что сопряжено с возникновением переменного расхода рабочего тела. Также недостатком является менее эффективное использование 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 охлаждающей воды, что снижает эффективность использования подведенной теплоты водородного топлива. Также недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения камеры сгорания охлаждающей водой, что со временем становится причиной неработоспособного состояния пароводородного перегревателя. Таким образом, это снижает эффективность и надежность повышения и регулирования мощности энергоблока АЭС, а также эффективность и экономичность (по расходу водорода и кислорода) пароводородного перегрева пара.
Наиболее близким аналогом является турбинная установка АЭС (см. авт. свид. СССР на изобретение №936734, МПК G21D 1/00, опубл. 07.09.1983 г.), содержащая паровую турбину с цилиндром высокого давления (ЦВД) и цилиндром низкого давления (ЦНД), сепаратор, промежуточный перегреватель, систему для получения водорода и кислорода, включающую электролизную установку для получения водорода и водородные ресиверы, пароводородный перегреватель, регенеративный подогреватель, установленный на трубопроводе питательной воды, водородный водонагреватель, задвижки и обратный клапан. При этом выход ЦВД через сепаратор и промежуточный перегреватель соединен с входом ЦНД, регенеративный подогреватель установлен на трубопроводе питательной воды и соединен с отбором пара от ЦВД и сепаратора, водородный пароперегреватель соединен с системой для получения водорода и кислорода, пароводородный водонагреватель подключен по питательной воде через задвижку параллельно регенеративному подогревателю и к системе для получения водорода и кислорода, пароводородный перегреватель подключен через задвижки параллельно промежуточному перегревателю.
Турбинная установка позволяет увеличить мощность энергоблока АЭС в пиковые часы электрической нагрузки в энергосистеме. Это достигается за счет того, что промежуточный перегрев основного пара осуществляют в пароводородном перегревателе, куда подается для сжигания водород. Вытесненный пар, предназначенный для осуществления промежуточного перегрева, срабатывает в основной турбине, повышая ее мощность.
Недостатком известной турбинной установки является возникновение переменного расхода рабочего тела при переходе в пиковый режим работы и при выходе из него, а также невозможность вытеснения пара, предназначенного для осуществления промежуточного перегрева основного пара в случае, если по каким-либо причинам увеличение пропуска пара в турбину оказывается недопустимым и, как следствие, не приведет к повышению мощности паротурбинной установки. Это снижает надежность энергоблока АЭС. Также недостатком является больший расход водорода и кислорода для осуществления промежуточного пароводородного перегрева основного пара до заданной температуры в пароводородном перегревателе, поскольку перегрев осуществляется через теплообменную поверхность. При этом необходимо использовать принудительное охлаждение образующегося высокотемпературного пара при окислении водорода кислородом специальной охлаждающей водой, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния охлаждающей воды и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте внешнего охлаждения камеры сгорания охлаждающей водой, что со временем становится причиной неработоспособного состояния пароводородного перегревателя и снижает эффективность использования подведенной теплоты водородного топлива. Это снижает эффективность и экономичность (по расходу водорода и кислорода) такого перегрева.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение надежного режима работы паротурбинной установки АЭС при повышении ее мощности.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является устранение переменного расхода рабочего тела энергоблока АЭС.
Указанный технический результат достигается тем, что в турбинную установку атомной электростанции (АЭС), содержащую паровую турбину с цилиндрами высокого и низкого давления, устройство парораспределения, сепаратор, промежуточный перегреватель, систему для получения водорода и кислорода, включающую электролизную установку для получения водорода и кислорода с водородными и кислородными ресиверами, пароводородный перегреватель, причем вход цилиндра высокого давления соединен трубопроводом с устройством парораспределения, пароводородный перегреватель соединен с системой для получения водорода и кислорода, согласно изобретению, по первому варианту, введена сателлитная паротурбинная установка с трубопроводом вытесненного пара, при этом сателлитная паротурбинная установка подключена к устройству парораспределения перед цилиндром высокого давления посредством трубопровода вытесненного пара, а выход цилиндра высокого давления через сепаратор, пароводородный перегреватель и промежуточный перегреватель соединен с входом цилиндра низкого давления.
Указанный технический результат достигается также за счет того, что в турбинную установку атомной электростанции (АЭС), содержащую паровую турбину с цилиндрами высокого и низкого давления, устройство парораспределения, сепаратор, промежуточный перегреватель, систему для получения водорода и кислорода, включающую электролизную установку для получения водорода и кислорода с водородными и кислородными ресиверами, пароводородный перегреватель, причем вход цилиндра высокого давления соединен трубопроводом с устройством парораспределения, пароводородный перегреватель соединен с системой для получения водорода и кислорода, согласно изобретению, по второму варианту, введена сателлитная паротурбинная установка с трубопроводом вытесненного пара и пароводородным перегревателем вытесненного пара, при этом один вход пароводородного перегревателя вытесненного пара соединен с системой для получения водорода и кислорода, другой вход пароводородного перегревателя вытесненного пара соединен с помощью трубопровода вытесненного пара с устройством парораспределения перед цилиндром высокого давления, выход пароводородного перегревателя вытесненного пара соединен с сателлитной паротурбинной установкой, а выход цилиндра высокого давления через сепаратор, пароводородный перегреватель и промежуточный перегреватель соединен с входом цилиндра низкого давления.
Более надежное повышение мощности энергоблока АЭС достигается за счет того, что высокотемпературный пар, полученный в результате ступенчатого окисления водорода кислородом, смешиваясь с основным паром в пароводородном перегревателе, соединенном с системой получения водорода и кислорода, и перегревая его до заданной температуры, вытесняет свежий и отборный пар, предназначенный для осуществления перегрева основного пара. Таким образом, весь вытесненный пар, предназначенный для осуществления промежуточного перегрева, может быть направлен для повышения мощности энергоблока АЭС через устройство парораспределения по трубопроводу вытесненного пара в сателлитную паротурбинную установку, что позволяет избежать переменного расхода рабочего тела основной турбины, а также осуществить вытеснение пара, несмотря на то, что если по каким-либо причинам увеличение расхода рабочего тела в основную турбину оказывается недопустимым. При этом пар, подаваемый в сателлитную паротурбинную установку, может быть перегрет в пароводородном перегревателе вытесненного пара, соединенного с системой получения водорода и кислорода до заданной температуры за счет смешения с высокотемпературным паром, полученным в результате ступенчатого окисления водорода кислородом.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана схема турбинной установки АЭС (первый вариант); на фиг.2 - схема турбинной установки АЭС (второй вариант).
Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - цилиндр высокого давления (ЦВД) паровой турбины; 2 - цилиндр низкого давления (ЦНД) паровой турбины; 3 -сепаратор; 4 - промежуточный перегреватель; 5 - электрический генератор; 6 - конденсатор; 7 - конденсатный насос; 8 - подогреватели низкого давления; 9 - узел отбора добавленной доли рабочего тела при промежуточном перегреве; 10 - пароводородный перегреватель; 11-13 - задвижки; 14 - устройство парораспределения; 15 - трубопровод вытесненного пара; 16 - сателлитная паротурбинная установка; 17 - пароводородный перегреватель вытесненного пара.
Турбинная установка АЭС, по первому и второму вариантам, содержит паровую турбину с цилиндрами высокого 1 и низкого 2 давления, сепаратор 3, промежуточный перегреватель 4, электрогенераторы 5, конденсаторы 6, конденсатные насосы 7, подогреватели низкого давления 8, узел отбора добавленной доли рабочего тела при промежуточном перегреве 9, пароводородный перегреватель 10, задвижки 11-13, устройство парораспределения 14, трубопровод вытесненного пара 15, сателлитную паротурбинную установку 16, пароводородный перегреватель вытесненного пара 17, систему для получения водорода и кислорода, включающую электролизную установку для получения водорода и кислорода с водородными и кислородными ресиверами. При этом вход цилиндра высокого давления 1 соединен трубопроводом с устройством парораспределения 14, а выход цилиндра высокого давления 1 через сепаратор 3, пароводородный перегреватель 10 и промежуточный перегреватель 4 соединен с входом цилиндра низкого давления 2, пароводородные перегреватели 10, 17 соединены с системой для получения водорода и кислорода.
По первому варианту введена сателлитная паротурбинная установка 16 с трубопроводом вытесненного пара 15, при этом сателлитная паротурбинная установка 16 подключена к устройству парораспределения 14 перед цилиндром высокого давления 1 посредством трубопровода вытесненного пара 15.
По второму варианту введена сателлитная паротурбинная установка 16 с трубопроводом вытесненного пара 15 и пароводородным перегревателем вытесненного пара 17, соединенным по одному входу с системой для получения водорода и кислорода, по другому входу с помощью трубопровода вытесненного пара 15 с устройством парораспределения 14 перед цилиндром высокого давления 1, а выход пароводородного перегревателя вытесненного пара 17 соединен с сателлитной паротурбинной установкой 16.
Турбинная установка АЭС по первому варианту (фиг.1) включает подачу водорода и кислорода по подводящим магистралям в пароводородный перегреватель 10, соединенный с системой получения водорода и кислорода (на схеме не показано). За счет ступенчатого окисления водорода кислородом с образованием высокотемпературного пара путем его смешения осуществляется перегрев основного пара до заданной температуры. При этом задвижки 11, 12 закрыты, а задвижка 13 открыта. Таким образом, вытесненный пар, предназначенный для осуществления промежуточного перегрева основного пара, через устройство парораспределения 14 по трубопроводу вытесненного пара 15 поступает в сателлитную паротурбинную установку 16 и в ней срабатывает, что способствует устранению переменного расхода рабочего тела турбины АЭС при повышении мощности энергоблока.
Турбинная установка АЭС по второму варианту (фиг.2) включает подачу водорода и кислорода по подводящим магистралям в пароводородный перегреватель 10 и одновременно в пароводородный перегреватель вытесненного пара 17, соединенные с системой получения водорода и кислорода. За счет ступенчатого окисления водорода кислородом с образованием высокотемпературного пара путем его смешения с основным и с вытесненным паром осуществляется перегрев до заданной температуры. При этом задвижки 11, 12 закрыты, а задвижка 13 открыта. Таким образом, вытесненный пар, предназначенный для осуществления промежуточного перегрева основного пара, через устройство парораспределения 14 по трубопроводу вытесненного пара 15 поступает в пароводородный перегреватель вытесненного пара 17, где перегревается до заданной температуры, после чего поступает в сателлитную паротурбинную установку 16, в которой срабатывает, что способствует устранению переменного расхода рабочего тела турбины АЭС при повышении мощности энергоблока.
Турбинная установка АЭС, по первому варианту, работает следующим образом.
В ночные внепиковые часы электрической нагрузки за счет процесса электролиза воды происходит аккумулирование невостребованной электроэнергии в виде водорода и кислорода, которые при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов поступают в емкости хранения. Затем водород и кислород отбираются из емкостей хранения и при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов подаются в пароводородный перегреватель 10 по соответствующим подводящим магистралям. Задвижки 11, 12 закрыты, задвижка 13 открыта. В пароводородном перегревателе 10 за счет высокотемпературного пара, полученного в результате ступенчатого окисления водорода кислородом и его смешения с основным паром, происходит перегрев до заданной температуры. Вытесненный, таким образом, пар, предназначенный для осуществления промежуточного перегрева основного пара, через устройство парораспределения 14 по трубопроводу вытесненного пара 15 поступает в сателлитную паротурбинную установку 16, где срабатывает, что способствует устранению переменного расхода рабочего тела турбины АЭС при повышении мощности энергоблока. Осуществление перегрева путем ступенчатого окисления водорода кислородом и смешения высокотемпературного пара с основным паром позволяет расходовать меньшее количество водорода и кислорода для этого по сравнению с перегревом, осуществляемым через разделяющую теплообменную поверхность, что повышает эффективность и экономичность (по расходу водорода и кислорода) такого перегрева. Следует отметить, что доля подмешиваемого высокотемпературного пара для промежуточного перегрева незначительна, что не приводит к заметному повышению расхода рабочего тела при входе в ЦНД 2. При этом выработанного количества водорода и кислорода может быть достаточно для того, чтобы поддерживать работу энергоблока АЭС на уровне мощности выше номинальной ежесуточно. В специальном «узле» 9 осуществляется отбор подмешанной доли рабочего тела в результате промежуточного пароводородного перегрева и при помощи конденсатного насоса 7 ее подача через бак-аккумулятор вновь в электролизер.
В случае если по каким-либо причинам необходимо прекращение подачи водорода и кислорода, энергоблок переходит в традиционный режим работы. Задвижки 11, 12 автоматически открываются, а задвижка 13 автоматически закрывается.
Турбинная установка атомной электростанции, по второму варианту, работает аналогичным образом, но с той лишь разницей, что вытесненный пар, предназначенный для осуществления промежуточного перегрева основного пара, через устройство парораспределения 14 по трубопроводу вытесненного пара 15 поступает в пароводородный перегреватель вытесненного пара 17, где перегревается путем смешения с высокотемпературным паром, полученным в результате ступенчатого окисления водорода кислородом до заданной температуры, после чего срабатывает в сателлитной паротурбинной установке 16.
Отличительным признаком предложенной турбинной установки является устранение переменного расхода рабочего тела турбоустановки АЭС при повышении ее мощности с использованием вытесненного пара промежуточного перегрева в сателлитной паротурбинной установке с более эффективным осуществлением пароводородного перегрева основного пара (первый вариант), а также основного пара вместе с вытесненным (второй вариант).