СУДОВАЯ ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SHIP NUCLEAR POWER PLANT

Изобретение относится к судовым ядерными энергетическими установкам (СЯЭУ).
На морских судах с СЯЭУ используются водо-водяные реакторы, описанные, например, в учебнике Д.А. Шатровского «Эксплуатация судовых котельных и паропроизводящих установок», Санкт-Петербург, 2019 по специальности 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок». Судовая ядерная энергетическая установка включает в себя ядерную паропроизводящую (ЯППУ) с водо-водяными реакторами и паротурбинную установки (ПТУ). Основной недостаток таких реакторов заключается в низких параметрах пара на выходе из парогенераторов: давление около 3,0-3,7 МПа и температура 285-300°С, что вызвано ограничением температуры теплоносителя - воды для сохранения ее в жидкой фазе. В результате КПД таких установок составляет около 20%. Эти данные были получены автором в результате проведенных им теплотехнических балансовых испытаний четырех судов с ЯЭУ: атомных «Сибирь», «Россия», «Таймыр» и «Севморпуть» и представленные в трех учебных пособиях «Паротурбинные установки атомных судов», изданных в Москве, В/О « Мортехинформреклама» в 1990-1992 годах. Из-за низких начальных параметров пара проточная часть главного турбоагрегата (ГТА) работает в области влажного пара. Кроме низкого КПД цикла, при низких начальных параметрах пара из-за высокой влажности снижается внутренний КПД и возникает интенсивная капельно-ударная эрозия лопаток последних ступеней главных турбоагрегатов. Общеизвестно, что перечисленные недостатки СЯЭУ могут быть устранены применением промежуточной сепарации и промежуточного перегрева пара. К настоящему времени в СЯЭУ применяется только промежуточная сепарация пара там, где главный турбоагрегат двухкорпусный, т.е. на атомном лихтеровозе «Севморпуть» и на атомном ледоколе «Арктика» второго поколения.
ЯППУ с водо-водяными реакторами электростанций из-за огромных мощностей позволяют увеличить начальное давление пара до 6,27 МПа, при этом пар насыщенный - 278,5°С. Температура греющей среды в виде свежего пара для промежуточного пароперегревателя в этом случае оказывается высокой, поэтому в стационарных ЯППУ использование свежего пара в качестве греющего в перегревателе дает существенный эффект и широко используется.
Современные патентные разработки применительно к стационарным ЯППУ направлены на совершенствование конструкции сепараторов-перегревателей, причем часто в качестве греющего пара используется свежий пар. К таким относятся сепаратор-перегреватель (RU 2522273 С1), отличающийся способом установки сепарационных блоков.
Известен патент на установку, в которой для промежуточного перегрева используется пар из утилизационного парогенератора, установленного за газовой турбиной, работающей на природном газе (RU 2499147 С2).
Однако методы решения проблемы, применяемые в стационарной энергетике, не могут быть применимы в СЯЭУ. Одна из причин - малая мощность СЯЭУ - 30-40 МВт в одной установке против 1200 МВт в стационарных ЯЭУ. При повышении начального давления с 3,4 до 6,27 МПа удельный объем пара снижается в 2,2 раза, в результате чего при малой мощности ГТА высота лопаток ТВД становится недопустимо малой. Кроме того, при двухкорпусном исполнении главного турбоагрегата влажность пара на выходе из ТВД будет ниже 13% только при неравном распределении мощности между корпусами ГТА, и только сепарации будет недостаточно чтобы избежать эрозии лопаток.
Наиболее близким аналогом является СЯЭУ атомного ледокола «Арктика» второго поколения, которая содержит первый контур, которой включает в себя соединенные в замкнутую цепь водо-водяной ядерный реактор, циркуляционные насосы и парогенераторы, а также подключенную к ней систему поддержания давления в первом контуре, и второй контур, который включает в себя соединенные между собой паропроводом турбину высокого давления ТВД и турбину низкого давления ТНД, которая через главный конденсатор, конденсатный и питательный насосы и деаэратор соединена с нагревательными элементами второго контура, расположенными в парогенераторах первого контура. Эта СЯЭУ содержит также сепаратор, встроенный в рассечку паропровода между ТВД и ТНД, т.е. пар, выходящий из ТВД, направляется в сепаратор пара, и в ТНД поступает осушенный пар. Использование сепаратора позволяет частично решить одну проблему - снизить или свести к минимуму эрозию лопаток последних ступеней ТНД. Термический КПД остается неизменным, так как температуры влажного и сухого насыщенного пара до и после сепаратора равны, а внутренний КПД турбоагрегата несколько снижается из-за сопротивления сепаратора, и несколько повышается из-за снижения влажности пара.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить термический КПД установки, исключить капельно-ударную эрозию лопаток последних ступеней ТНД и существенное повысить внутренней КПД турбоагрегата за счет снижения потерь от влажности.
Перечисленные преимущества достигаются тем, что в судовой ЯЭУ как и в наиболее близком аналоге, судовая ядерная энергетическая установка содержит первый контур, которой включает в себя соединенные в замкнутую цепь водо-водяной ядерный реактор, циркуляционный насосы и подключенную к ней систему поддержания давления в первом контуре, а также парогенераторы, и второй контур, который включает в себя соединенные между собой паропроводом нагревательные элементы второго контура, расположенные в парогенераторах, с турбиной высокого давления и затем с турбиной низкого давления, которая через главный конденсатор, конденсатный и питательный насосы и деаэратор соединена с нагревательными элементами второго контура, расположенными в парогенераторах первого контура.
Отличие состоит в том, что судовая ядерная энергетическая установка содержит дополнительный контур, состоящий из циркуляционной системы, в которую входят соединенные в замкнутую цепь циркуляционный насос, водяной пароперегреватель, установленный на паропроводе между турбинами, и дополнительный теплообменник для нагрева воды дополнительного контура, размещенный по крайней мере в одном парогенераторе, и нагреваемой водой первого контура до температуры не ниже температуры перегретого пара, а также систему поддержания давления в дополнительном контуре, достаточного для исключения кипения воды в дополнительном контуре.
Указанные эффекты достигаются промежуточным перегревом пара в пароперегревателе, в котором греющей средой является вода, циркулирующая в дополнительном контуре. Благодаря использованию воды температура перегрева будет на 60-70°С выше, чем при подогреве с помощью свежего пара. Влажность пара на выходе из ТНД не более 4%.
В процессе поиска аналогов с использованием дополнительного контура не обнаружено.
На чертеже (фиг. 1) изображена схема предлагаемой СЯЭУ, где изображены первый контур, которой включает в себя соединенные в замкнутую цепь водо-водяной ядерный реактор 1, циркуляционный насосы первого контура 2, парогенератор 3, а также систему поддержания давления в первом контуре 4 в котором происходит передача тепла от первого контура ко второму контуру, а также и второй контур, который включает в себя соединенные между собой паропроводом нагревательный элемент второго контура, расположенный в парогенераторе 3, с турбиной высокого давления 5 и затем с турбиной низкого давления 6, которая через главный конденсатор 7, конденсатный 8 и питательный 9 насосы и деаэратор 10 соединена с нагревательным элементом второго контура, расположенным в парогенераторе 3. В известных СЯЭУ, как правило, несколько цепей из ЦНПК и ПГ, параллельно соединенных с одним реактором 1.
Предлагаемая СЯЭУ содержит дополнительный контур, состоящий из циркуляционной системы, в которую входят соединенные в замкнутую цепь циркуляционный насос 11 дополнительного контура, водяной пароперегреватель 12, установленный на паропроводе между турбинами 5 и 6 и дополнительный теплообменник 13 для нагрева воды дополнительного контура, размещенный по крайней мере в одном парогенераторе 3, и нагреваемой водой первого контура до температуры не ниже температуры перегретого пара, а также система поддержания давления в дополнительном контуре 14, достаточного для исключения кипения воды в дополнительном контуре.
Дополнительные водо-водяные теплообменники 13 могут устанавливаться во всех парогенераторах 3 первого контура или в одном из них. Возможна установка отдельного водо-водяного теплообменника 13, который прокачивается водой первого контура также как парогенераторы. Промежуточный пароперегреватель 12, циркуляционный насос 11 дополнительного контура и система поддержания давления в дополнительном контуре 14 располагаются в машинном отделении судна, т.е. за пределами центрального отсека, в котором размещен первый контур со всеми агрегатами и аппаратами и доступ в который ограничен.
Использование воды в качестве греющей среды в судовой установке имеет целый ряд преимуществ по сравнению с общепринятым способом, т.е. перегревом с помощью свежего пара. Главное преимущество - температура перегрева будет выше на 60-70°С. Достигается это за счет более высокой температуры греющей среды. Дело в том, что при нагреве свежим паром подавляющее количество тепла передается при температуре греющей среды, равной температуре насыщения, соответствующей давлению свежего пара. Для параметров пара, используемых в судовых ЯЭУ, основная доля теплоты - это теплота парообразования ≈78,4%, теплота перегрева ≈6,1 и теплота конденсата ≈15,5%. Теплота конденсата принимается в диапазоне изменения температур от температуры насыщения греющего пара до температуры насыщения обогреваемого пара перед перегревателем. Из-за малой доли теплоты перегрева и невысокой температуры конденсата средняя температура греющей среды будет ниже температуры насыщения.
Независимо от того, что является греющей средой в промежуточном перегревателе, в парогенераторах должна быть предусмотрена дополнительная площадь теплообмена для передачи тепла, необходимого для промежуточного перегрева пара. Получение пара для этой цели сопровождается обычными трудностями, связанными с образованием накипи в начале зоны перегрева, поскольку парогенератор прямоточный. При использовании воды в дополнительном контуре накипи в теплообменнике дополнительного контура не образуется. Коэффициент теплопередачи в водо-водяном подогревателе несколько выше, чем в водо-паровом подогревателе из-за более высокого коэффициента теплоотдачи со стороны нагреваемой воды.
Относительное количество тепла, затрачиваемого на промежуточный перегрев пара от температуры насыщения при давлении за ТВД до возможно высокой с учетом необходимого для теплообмена напора, невысоко и составляет от 10,6 до 13% при нагреве с помощью воды с сепаратором пара и без него соответственно.
Промежуточный водяной пароперегреватель 12 размещается в рассечке паропровода между ТВД 5 и ТНД 6, т.е. в непосредственной близости от турбин, и соединяется трубопроводами с подогревателем воды 13, размещенным по крайней мере в одном парогенераторе 3, который генерирует пар для турбины. Обе турбины и приводимый ими главный генератор 15 соединены одним валом. Герметичный циркуляционный насос 11, т.е. насос, в котором электродвигатель работает в перекачиваемой среде, осуществляет циркуляцию воды по дополнительному контуру. В центральном отсеке размещается подогреватель дополнительного контура 13, остальное оборудование дополнительного контура размещается в машинном отделении.
Давление воды в дополнительном контуре приблизительно такое же, как в первом контуре ≈14 МПа и поддерживается компенсатором 4, к которому подключены баллоны высокого давления со сжатым азотом. Подача циркуляционного насоса 11, согласно поверочным расчетам, составляет около 125 т/ч в случае использования сепаратора и увеличивается до 185 т/ч при отсутствии сепаратора при условии перегрева пара до одинаковой температуры. Учитывая, что напор, развиваемый циркуляционным насосом равен гидравлическому сопротивлению дополнительного контура, его мощность не велика и не повлияет существенно на экономичность всей установки. Перед входом в центральный отсек и на выходе устанавливаются секущие клапаны, не показанные на принципиальной схеме.
Установка с дополнительным контуром работает следующим образом. Циркуляционный насос первого контура 2 прокачивает теплоноситель первого контура - воду, подавая ее в активную зону реактора 1, где она нагревается до температуры около 300°С. Вода первого контура находится под высоким давлением (≈14 МПа) с помощью компенсатора 4 и поэтому не кипит. Нагретая в активной зоне реактора 1 вода поступает в парогенераторы 3, в котором нагревает и превращает питательную воду второго контура в пар с температурой 285°С, который поступает в турбину высокого давления 5. Кроме того, с помощью дополнительного теплообменника 13, размещенного в парогенераторе 3, вода первого контура нагревает воду дополнительного контура не ниже температуры перегретого пара, которая затем подается в промежуточный пароперегреватель 12, и нагревает отработавший в ТВД 5 пар. Циркуляционный насос дополнительного контура 11 обеспечивает циркуляцию воды по дополнительному контуру. Циркулирующая вода дополнительного контура также находится в состоянии воды благодаря поддержанию в дополнительном контуре высокого давления (≈ 14 МПа) с помощью компенсатора 14, к которому подключены баллоны высокого давления с азотом. Пар из ТВД 5 с влажностью около 6% поступает перегреватель 12, где превращается перегретый пар с температурой 235-255°С и поступает в ТНД 6. Отработавший пар из ТНД 6 с влажностью не более 4% поступает в конденсатор 7, откуда конденсат проходит через основные устройства конденсатно-питательной системы (конденсатный насос 8, деаэратор 10, и питательный насос 9) и поступает в нагревательные элементы второго контура парогенераторов 3, замыкая второй контур.