СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ МАНЕВРЕННОСТИ АЭС
METHOD OF IMPROVEMENT OF MANOEUVRABILITY OF ATOMIC POWER PLANTS

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования в атомной энергетике, на атомных электрических станциях (АЭС) с водоохлаждаемыми реакторами.
Известен способ покрытия пиков электрической нагрузки посредством парогазовой установки (см. авт. свид. СССР на изобретение №1163681, МПК F 01K 23/10, опубл. 15.12.1985 г.). 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. 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. 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. Уходящие газы используется в цикле АЭС, что усложняет ее работу и отрицательно сказывается на безопасности ее эксплуатации.
Известен способ достижения маневренности 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). 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.
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. Также недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения камеры сгорания охлаждающей водой, что со временем становится причиной неработоспособного состояния пароводородного перегревателя. Энергия сжигания водорода используется в цикле АЭС, что усложняет ее работу и отрицательно сказывается на безопасности ее эксплуатации.
Известен способ обеспечения маневренности атомных электрических станций (см. патент РФ на изобретение №70312, МПК F01K13/02 (2006.01), H02J9/04 (2006.01), G21D3/08 (2006.01), опубл. 20.01.2008 г.), путем производства водорода с кислородом в часы провала нагрузки и сжигания их в часы пиковой нагрузки.
Недостатком известной установки 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. Также недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения камеры сгорания охлаждающей водой, что со временем становится причиной неработоспособного состояния пароводородного перегревателя. Так же недостатком такого способа является то, что пуск турбины осуществляется из непрогретого состояния, что сказывается на снижении срока службы турбоустановки, росте расходов тепла на пуск, снижение мобильности.
Известен способ повышения мощности, турбинной установки АЭС (см. авт. свид. СССР на изобретение №936734, МПК G 21D 1/00, опубл. 07.09.1983 г.), повышение мощности 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, что 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. Энергия сжигания водорода используется в цикле АЭС, что усложняет ее работу и отрицательно сказывается на безопасности ее эксплуатации.
Известен способ повышения маневренности турбинной установки атомной электростанции (варианты) (см. патент РФ №2459293, МПК - G 21 D 01/00, МПК - F 01 K 23/10, МПК - G 21 D 05/08, МПК - G 21 D 03/08. Бюл.№23, опубл. 20.08.2012), предназначенный для обеспечения надежного режима работы паротурбинной установки АЭС при повышении ее мощности за счет использования сателлитной паровой турбины, работающей на вытесненном паре, полученном в результате водородного перегрева основного пара.
Недостатком известной турбинной установки является возникновение переменного расхода рабочего тела, что снижает надежность энергоблока АЭС. Пуск турбины осуществляется из непрогретого состояния, что сказывается на снижении срока службы турбоустановки, росте расходов тепла на пуск, снижение мобильности. Кроме того в случае работы по 1-му варианту без водородного перегрева пар поступает в пиковую паровую турбину с низкими параметрами, это приводит к уменьшению выработки электрической энергии и повышению влажности, а следовательно, и к снижению эффективности и надежности установки. Энергия сжигания водорода используется в цикле АЭС, что усложняет ее работу и отрицательно сказывается на безопасности ее эксплуатации.
Известен способ повышения маневренности парогазовой установки, (см. авт.свид. СССР на изобретение №941641, МПК F 01K 23/06, опубл. 07.07.1982 г.), позволяющей широко маневрировать электрической мощностью как в паровой, так и в газовой ее части и обеспечивать возможность получения дополнительной мощности от турбины насыщенного пара. Это осуществляется за счет того, что теплота от выхлопных газов газовой турбины подводится к острому насыщенному пару паровой турбины, повышая его температуру и тем самым увеличивая располагаемый теплоперепад цилиндра высокого давления паровой турбины. После этого выхлопные газы газовой турбины в промежуточном пароперегревателе дополнительно перегревают пар паротурбинной установки, тем самым увеличивая располагаемый теплоперепад цилиндра низкого давления паровой турбины. Также возможно вытеснение отборов паровой турбины теплом выхлопных газов газовой турбины. Кроме того, в установке допускается независимая работа паровой турбины и газовой турбины, при которой выхлопные газы газовой турбины, минуя основной пароперегреватель, сбрасывают в атмосферу.
Недостатком известной парогазовой установки являются большие гидравлические и тепловые потери, вызванные необходимостью прокачки большого объема острого насыщенного пара через основной пароперегреватель. Кроме того, переменные режимы параметров пара снижают надежность турбоустановки. Станция имеет малый диапазон маневрирования мощности, т.к. способ не предусматривает разгрузку станции ночью. Уходящие газы используются в паровом цикле, в случае комбинирования ГТУ с АЭС, это усложняет ее работу и отрицательно сказывается на безопасности ее эксплуатации.
Наиболее близким аналогом является известный способ повышения маневренности парогазовой установки, (см. авт. свид. СССР на изобретение №1060798, МПК F 01K 23/10, опубл. 15.12.1983), позволяющий обеспечить выработку пиковой мощности при высокой экономичности работы, обусловленной глубокой утилизацией тепла отработавших газов газовой турбины. Это достигается за счет того, что в пиковом режиме включают в работу газовую турбину и промежуточный перегрев пара паровой турбины осуществляют в газопаровом пароперегревателе за счет утилизации тепла выхлопных газов, а отбор острого пара в паропаровой пароперегреватель отключают, тем самым увеличивая расход пара через цилиндр высокого давления. Также, при включенном парогазовом пароперегревателе, воду из сепаратора направляют в газопаровой пароперегреватель, где происходит ее испарение и перегрев. Полученный перегретый пар смешивают с основным потоком пара после газопарового пароперегревателя и подают в цилиндр низкого давления паровой турбины. В результате увеличения расхода пара в обоих цилиндрах вырабатывается дополнительная пиковая мощность.
Недостатком известной турбинной установки является возникновение переменного расхода рабочего тела, что снижает надежность турбоустановки. Кроме того, большие гидравлические и тепловые потери, вызванные необходимостью прокачки большого объема острого насыщенного пара через основной пароперегреватель. Станция имеет малый диапазон маневрирования мощности, т.к. способ не предусматривает разгрузку станции ночью. Уходящие газы используется в паровом цикле, в случае комбинирования ГТУ с АЭС, это усложняет ее работу и отрицательно сказывается на безопасности ее эксплуатации.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение надежного и безопасного повышения маневренности и экономичности двухконтурной АЭС.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является аккумулирование в ночные внепиковые часы электрической нагрузки невостребованной энергии и выработка дополнительной электроэнергии в пиковые часы электрической нагрузки, при том, что оборудование парогазовой установки (ПГУ) и водородное хозяйство выведено за территорию площадки АЭС и не оказывает, таким образом, отрицательного влияния на безопасность и надежность эксплуатации станции.
Указанный технический результат достигается тем, что на АЭС, содержащей 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, причем вход цилиндра высокого давления соединен трубопроводом с устройством парораспределения, парогазовую установку, состоящую из газотурбинной установки, котла утилизатора, пароводородного перегревателя и дополнительной паротурбинной установки, при этом дополнительная паротурбинная установка подключена к котлу утилизатору и к устройству парораспределения перед цилиндром высокого давления основной турбины посредством трубопровода, пароводородный перегреватель соединен с системой для получения водорода и кислорода, оборудование, входящее в состав парогазовой установки и водородное хозяйство выведено за территорию площадки АЭС, согласно изобретению в пиковые часы электрической нагрузки ГТУ вырабатывает дополнительную электроэнергию, в котле-утилизаторе генерируется пар, перегреваемый в пароводородном перегревателе и направляемый в дополнительную паровую турбину, также вырабатывающую дополнительную электроэнергию; в ночные внепиковые часы электрической нагрузки невостребованная электроэнергия аккумулируется в виде водорода и кислорода, ГТУ останавливается, дополнительная паровая турбина останавливается или работает на пониженной нагрузке на пару, отбираемом из устройства парораспределения перед ЦВД паровой турбины.
Сущность изобретения заключается в обеспечении надежного и безопасного повышения маневренности и экономичности двухконтурной АЭС посредством работы ПГУ и водородного хозяйства, оборудование которых выведено за территорию площадки станции.
Изобретение иллюстрируется чертежом (фиг.1), где показана схема повышения маневренности АЭС. 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 - электрические генераторы; 6 - конденсаторы; 7 - устройство парораспределения; 8 - компрессор (К); 9 - камера сгорания (КС); 10 - газовая турбина; 11 - котел-утилизатор (КУ); 12 - дополнительная паровая турбина; 13 - устройство распределения конденсата; 14 - пароводородный перегреватель.
В эксплуатационном режиме работы атомной электростанции пар из паропроизводящего устройства через парораспределительное устройство 7 направляется в ЦВД паровой турбины 1, затем через сепаратор 3 и промежуточный паро-паровой перегреватель 4 поступает в ЦНД паровой турбины 2, после чего пар конденсируется в конденсаторе 6 паровой турбины. При этом на генераторе 5 паровой турбины вырабатывается электрическая мощность.
В пиковые часы электрической нагрузки газовая турбина 10 вырабатывает дополнительную мощность, за счет уходящих газов в КУ 11 генерируется пар, после чего перегревается в пароводородном перегревателе 14 и направляется в дополнительную паровую турбину 12, которая также работает на выработку дополнительной мощности.
В ночные часы провала электрической нагрузки газовая турбина 10 и пароводородный перегреватель 14 отключены, дополнительная паровая турбина 12 отключается или продолжает работать на минимальной нагрузке за счет пара, отбираемого из устройства парораспределения 7 перед ЦВД 1. 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 (на схеме не показаны).
Отличительным признаком способа повышения маневренности АЭС является аккумулирование в ночные внепиковые часы электрической нагрузки невостребованной энергии и выработка дополнительной электроэнергии в пиковые часы электрической нагрузки, при том, что оборудование ПГУ и водородное хозяйство выведено за территорию площадки АЭС и не оказывает, таким образом, отрицательного влияния на безопасность и надежность эксплуатации станции.