УСТАНОВКА С ОТКРЫТЫМ РАБОЧИМ ЦИКЛОМ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕХАНИЧЕСКОЙ ИЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
PLANT WITH OPEN WORKING CYCLE FOR GENERATION OF MECHANICAL OR ELECTRIC ENERGY

Изобретение относится к области теплоэнергетики, энергомашиностроения и атомной энергетики и может быть использовано в конструкциях установок, преобразующих тепло в механическую или электрическую энергию.
Известна энергетическая установка (газотурбинная электростанция), предназначенная для получения электроэнергии в районах, где имеется большое количество дешевого топлива (патент РФ №2245445, публикация описания 27.01.05 г.). Установка работает по замкнутому рабочему циклу и содержит компрессор, приводимый в действие энергией электрической сети, паротурбинный котел, нагреваемый сжиганием твердого (угля, торфа, древесных отходов) или жидкого (нефти, мазута) топлива, газовую турбину, спаренную с электрогенератором, и холодильник, охлаждаемый проточной водой. Рабочий газ (воздух, аргон, азот, гелий) адиабатически сжимают компрессором, нагревают в паротурбинном котле и направляют на ротор газовой турбины, где газ вращает турбину и, адиабатически расширяясь, совершает механическую работу, преобразуемую в электроэнергию. Отработанный газ поступает в холодильник, охлаждаемый проточной водой, и при исходном давлении и температуре поступает в компрессор для очередного рабочего цикла, который может повторяться несколько раз.
Недостатками данной установки являются: ограничение возможности ее применения (только для районов с большими запасами второсортного топлива), большая потребность в воде, коррозия теплопроводов и оборудования при снижении температуры выходящих газов, а также загрязнение и забивание насадки холодильника отложениями. Следует также отметить, что данная установка имеет низкий КПД и требует больших затрат на ее обслуживание.
Известны установки для производства электроэнергии с применением ядерных реакторов в качестве высокотемпературных источников тепла. Например, известна энергетическая установка с газоохлаждаемым реактором, включающая в себя замкнутый контур газообразного теплоносителя (гелия), проходящего через активную зону реактора, с компрессором и парогенератором и контур паротурбинной установки, содержащей парогенератор, паровую турбину, конденсатор, теплообменник-подогреватель пара, через который проходит контур газообразного теплоносителя, расположенный перед парогенератором, электрогенератор, расположенный на одном валу с турбиной, пароводяной насос-подогреватель, расположенный между конденсатором и парогенератором и линия подачи пара с регулирующим клапаном (патент РФ №2160839, публикация описания 20.12.2000 г.). Тепло от активной зоны реактора отводится с помощью гелия, циркулирующего по замкнутому контуру. При использовании гелия в качестве теплоносителя необходимо соблюдать требование по выполнению контура замкнутым и до максимума ограничить потери теплоносителя. За счет теплообмена с гелием конденсат в парогенераторе испаряется с образованием пара, затем пар перегревается с повышением давления в теплообменнике-подогревателе. В турбине пар расширяется и совершает полезную работу, преобразуемую в электроэнергию с помощью генератора, из турбины пар поступает в конденсатор, где конденсируется за счет теплообмена с системой охлаждения. Затем конденсат поступает в пароводяной насос-подогреватель, куда одновременно поступает пар по линии через регулируемый клапан, где происходит интенсивное перемешивание пара и конденсата, после чего подогретый конденсат подается в парогенератор.
Таким образом, в известной установке тепло от ядерного реактора передают теплообменом сразу в паротурбинный контур, и по сравнению с предыдущей установкой, данная конструкция частично устраняет присущие ей недостатки, однако термостойкие материалы пароперегревательных узлов имеют невысокие нейтронно-физические параметры, что снижает эффективность работы установки и оставляет невысоким КПД.
Также известны установки для производства электроэнергии, включающие газовую турбину, приводимую в действие воздухом при высоком давлении и температуре, при этом воздух, используемый для привода турбины, выбрасывают в атмосферу, например, установка, работающая в открытом рабочем цикле, (патент РФ №2194869, публикация описания 20.12.02 г.). Перед выбросом в атмосферу горячий газ, выходящий из турбины, может быть направлен в один или несколько генераторов пара или теплообменников для производства сухого пара, который может приводить в действие одну или несколько турбин. Используют каскад, например, из двух турбин высокого и низкого давления, которые устанавливают на том же валу, что и газовая турбина, для привода электрогенератора. Данная установка выбрана в качестве прототипа и в ее контур включены устройство забора атмосферного воздуха, фильтр для его очистки, два компрессора для адиабатического сжатия, источник тепла для подогрева сжатого воздуха - камера сгорания, расположенная между компрессором и турбиной высокого давления и газотурбинная установка, приводимая в действие подогретым воздухом с возможностью последующего выброса отработанного воздуха в атмосферу. Воздух очищают, подогревают или охлаждают в контактном теплообменнике с последующим сжатием в компрессорах и подачей в камеру сгорания, куда также подают топливо, например природный газ и пар. Образующиеся продукты сгорания расширяют в турбинах с выработкой электроэнергии и далее подают на охлаждение в утилизационный парогенератор и контактный конденсатор с последующим охлаждением и осушением и с удалением через дымовую трубу в атмосферу.
Недостатком известной установки являются большие габариты, громоздкость и сложность конструкции входящих в нее устройств, к тому же выбрасываемый в атмосферу газ еще обладает значительным количеством тепла, которое нерационально выбрасывается в атмосферу и содержит химически вредные вещества (углекислый газ, угарный газ, оксиды азота).
Техническим результатом заявляемого изобретения является компактность и мобильность установки, и отсутствие химически вредных веществ в выбросе.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в установке с открытым рабочим циклом для производства механической или электрической энергии, в которой в качестве рабочего тела используют воздух и в контур которой включены устройство забора атмосферного воздуха, фильтр для его очистки, компрессор для адиабатического сжатия, источник тепла для подогрева сжатого воздуха и газотурбинная установка, приводимая в действие подогретым воздухом с возможностью последующего выброса отработанного воздуха в атмосферу, в качестве источника тепла для подогрева сжатого воздуха используют высокотемпературный ядерный реактор на быстрых нейтронах, охлаждаемый воздухом, используемым в качестве рабочего тела установки.
Применение высокотемпературного ядерного реактора на быстрых нейтронах, охлаждаемого воздухом, используемым в качестве рабочего тела, позволяет быстро повысить его температуру до температуры активной зоны, без применения природного газа или другого топлива, требующего подводящие трубопроводы, подачу требуемого количества кислорода для осуществления горения, наличие контейнеров или цистерн для размещения топлива и т.д. При этом применение воздуха снимает ограничения на замкнутость контура, упрощает функциональную схему установки в виду отсутствия холодильников, теплообменников, газопровода и т.д. Осуществляя теплосъем с ядерного горючего (ТВЭЛов) с помощью воздушной среды, можно использовать более экономичные турбины, рассчитанные на более высокие параметры рабочего тела, а теплообмен с теплоносителем через герметичную оболочку твэлов исключает проникновение радионуклеидов в теплоноситель, при этом отсутствие в нем продуктов сгорания позволяет избавиться от химически вредных примесей в выбросе.
На чертеже изображена функциональная схема установки с открытым рабочим циклом для производства механической или электрической энергии, где:
1 - устройство забора воздуха;
2 - воздушный фильтр;
3 - компрессор;
4 - реактор;
5 - газовая турбина;
6 - электрогенератор;
7 - устройство выброса отработанного воздуха.
Примером заявляемого устройства может служить установка с открытым рабочим циклом для производства механической или электрической энергии, выполненная с разомкнутым контуром, по которому прокачивают воздух, используемый в качестве рабочего тела. В контур включены впускной воздушный тракт, в который входит воздухозаборное устройство, воздушный фильтр, соединенные между собой и с компрессором низкого давления воздухопроводом, а компрессор соединен с входным коллектором активной зоны реактора. Выпускной тракт включает в себя газовую турбину, соединенную газопроводом с выходным коллектором активной зоны реактора и с устройством выброса отработанного воздуха. Привод газовой турбины соединен с генератором переменного тока, установленным с ним на одном валу. В качестве газовой турбины используют классическую конструкцию, приводимую в действие воздушной средой. В качестве реактора используют газоохлаждаемый ядерный реактор на быстрых нейтронах со стерженьковыми твэлами, где в качестве теплоносителя используют воздух.
Работает установка следующим образом.
Атмосферный воздух забирают через воздухозаборное устройство 1 и подают по воздухопроводу в фильтр 2, где очищают от пыли и твердых частиц, далее его подают по воздухопроводу на вход компрессора низкого давления 3, где его сжимают и подают во входной коллектор активной зона ядерного реактора 4. В активной зоне теплоноситель поступает в пространство между твэлами и контактирует с ними. Твэлы представляют собой стержни с сердцевиной из оксида урана, заключенной в герметичную стальную оболочку. Теплообмен теплоносителя и твэлов осуществляется через эту оболочку, в результате прохода его через активную зону в выходной коллектор воздух нагревается до температуры активной зоны, после чего его по газопроводу от выходного коллектора активной зоны ядерного реактора 4 отводят в газовую турбину высокого давления 5 для привода ее в действие и преобразования механической энергии турбины в электрическую путем использования генератора переменного тока 6, а затем отработанный воздух удаляют в атмосферу через устройство выброса отработанного воздуха (дымовую трубу) 7.
Таким образом, предложенная установка для производства механической или электрической энергии выполнена компактной, мобильной, функциональной.