СПОСОБ ВОДОРОДНОГО ПЕРЕГРЕВА ПАРА НА АЭС
METHOD OF HYDROGEN STEAM OVERHEATING AT NPP

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования на атомных электрических станциях (АЭС) с водо-охлаждаемыми реакторами.
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 постоянном принудительном водяном охлаждении, что снижает эффективность использования теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде, в связи 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. Смешение перегреваемого пара с продуктами сгорания водорода и кислорода опасно детонацией продуктов химического недожога, а также продуктов высокотемпературной диссоциации, содержащихся в получаемом перегретом паре.
Известен ряд устройств: парогенератор (см. патент РФ на изобретение №2309325, МПК F22B 1/26, опубл. 27.10.2007 г.), мини-парогенератор (см. патент РФ на изобретение №2300049, МПК F22B 1/26, опубл. 27.05.2007 г.). Эти устройства предназначены 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.
Недостаток вышеприведенных устройств заключается в постоянном принудительном водяном охлаждении, что снижает эффективность использования теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде, в связи 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. Смешение перегреваемого пара с продуктами сгорания водорода и кислорода опасно детонацией продуктов химического недожога, а также продуктов высокотемпературной диссоциации, содержащихся в получаемом перегретом паре
Известен ряд устройств: водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания (см. патент РФ на изобретение №2358191, МПК F22B 1/26, опубл. 10.06.2009 г.), водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения (см. патент РФ на изобретение №2358190, МПК F22B 1/26, опубл. 10.06.2009), парогенератор (варианты) (см. патент РФ на изобретение №2431079, МПК F22B 1/26, опубл. 10.10.2011). Эти устройства предназначены для выработки пара высоких параметров и могут быть использованы в парогенераторах для повышения давления и температуры рабочего тела и повышения КПД паросиловой установки в целом. При этом применяется наружное принудительное водяное охлаждение камеры сгорания и смешения с подмешиванием балластной воды к продуктам сгорания.
Недостаток вышеприведенных устройств заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в цилиндрической части камеры сгорания, что связано с отведением значительного количества теплоты, а также постоянного принудительного охлаждения в промежуточном сопле и в камере смешения, что связано с отведением значительного количества 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 промежуточного сопла балластировочной водой и магистрали подвода балластировочной воды, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогенератора. Также, недостатком является менее эффективное охлаждение водород-кислородного пара балластировочной водой в полости промежуточного сопла, поскольку охлаждение осуществляется через разделяющую стенку вследствие использования рубашки охлаждения, что не допускает прямого контакта балластировочной воды с охлаждаемой средой. Это снижает эффективность и надежность пароводородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС. Также недостатком является наличие в получаемом паре продуктов химического недожога, что опасно детонацией в процессе расширения пара в паротурбинной установке.
Известен способ образования пара в парогазогенераторе и устройство для его осуществления (см. патент РФ на изобретение №2371594, МПК F02С 6/00, опубл. 27.10.2009). Изобретение заключается в том, что сжигают компоненты топлива, испаряют воду и разогревают пар за счет полученной энергии, образуют в камере сгорания водяную вихреобразную оболочку с разрежением внутри ее центральной области, внутри этой области сжигают компоненты топлива, а интенсивное испарение воды и разогрев пара осуществляют после свертывания вихреобразной водяной оболочки. Предлагаемый способ реализован в парогазогенераторе, содержащем камеру сгорания, запальное устройство, испарительную камеру, устройство подвода воды, в котором согласно изобретению подвод воды расположен в верхней части камеры сгорания (возле головки) и выполнен в виде втулки с тангенциальными каналами для закручивания водяного потока и образования вихреобразной оболочки, а в испарительной камере установлена диафрагма, выполненная в виде сопла, расположенного в месте свертывания вихреобразной водяной оболочки, причем диафрагма расположена широким срезом сопла внутрь камеры испарения. Предложенное изобретение позволяет повысить эффективность, снизить тепловую нагрузку на элементы конструкции устройства за счет более эффективного охлаждения и упростить конструкцию.
Недостаток известного парогазогенератора заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в камере сгорания, 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. Это снижает эффективность и надежность пароводородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС. Также недостатком является наличие в получаемом паре продуктов химического недожога, что опасно детонацией в процессе расширения пара в паротурбинной установке.
2
2
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 (см. патент РФ на полезную модель №2335642, МПК F01K 13/00, опубл. 27.05.2007 г.). В высокотемпературном Н/О-пароперегревателе водяной пар перегревается за счет поступления и сжигания в нем водорода с кислородом в среде водяного пара без промежуточной теплообменной поверхности. Для полезного использования энергии уходящих газов из установки для конверсии природного газа в водород установлен утилизационный котел, выход пара из которого связан с промежуточным вводом пара в турбину с электрогенератором и (или) с системой охлаждения проточной части турбины. Устройство предназначено для производства электроэнергии с использованием высокотемпературной паровой турбины 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, а также когда расход пара снижен или полностью отсутствует, поскольку не обеспечивается понижение (регулирование) температуры водородно-кислородного пара. Смешение пара с продуктами сгорания водорода и кислорода опасно детонацией продуктов химического недожога, а также продуктов высокотемпературной диссоциации, содержащихся в получаемом перегретом паре.
Известен вихревой водород-кислородный пароперегреватель (см. патент РФ на изобретение №2361146, МПК F22G1/16, опубл. 10.07.2009). Вихревой водород-кислородный пароперегреватель, содержащий запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, дополнительно содержит диафрагмированное выходное сопло, а также патрубок и кольцевой канал подачи вторичного пара, конический стабилизатор пламени, пламенную трубу, аксиальное закручивающее устройство, конический стабилизатор пламени, зону смешения вторичного пара с окислителем. Водяной пар из котла или низкотемпературного перегревателя с температурой 100-250°C перегревается за счет сжигания водорода в кислороде и смешивается с основным паром. Изобретение обеспечивает повышение качества равномерности температурного поля на выходе из пароперегревателя, обеспечение возможности регулирования температуры горения, обеспечение условий устойчивого горения.
Недостатком данного изобретения является невозможность работы данной системы в условиях сниженного расхода водяного пара или полном его отсутствии из котла или низкотемпературного перегревателя, поскольку не обеспечивается понижение температуры водородно-кислородного пара. Это снижает надежность пароводородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС. Смешение пара с продуктами сгорания водорода и кислорода опасно детонацией продуктов химического недожога, а также продуктов высокотемпературной диссоциации, содержащихся в получаемом перегретом паре.
Известна система сжигания водорода для пароводородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции (см. патент РФ №2427048, МПК G21D 5/16, F22B 1/26, F01K 3/18, опубл. 10.11.2010 г.). Система сжигания водорода для пароводородного перегрева свежего пара в цикле АЭС, включающая водород-кислородный парогенератор, снабженный запальным устройством, содержащая 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, в связи с чем камера сгорания охлаждается за счет обтекания свежим паром.
Недостатком данного изобретения является невозможность работы системы в условиях сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии, поскольку не обеспечивается понижение (регулирование) температуры водород-кислородного пара. Это снижает надежность пароводородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС. Смешение перегреваемого пара с продуктами сгорания водорода и кислорода опасно детонацией продуктов химического недожога, а также продуктов высокотемпературной диссоциации, содержащихся в получаемом перегретом паре.
Известна система сжигания водорода в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара (см. патент РФ №2488903, МПК G21D 5/16, опубл. 27.07.2013 г.). 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, а также пара в условиях сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии. Система сжигания водорода в цикле АЭС включает водород-кислородный парогенератор с запальным устройством, 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. Дожигающая камера выполнена в виде диффузора и размещена в полости смешения высокотемпературного пара со свежим паром. К ней подсоединены магистрали подачи балластировочной воды со встроенными форсунками, пролегающие вдоль камеры сгорания с противоположных сторон. Встроенные форсунки сообщаются с внутренней областью дожигающей камеры.
Недостатком данного изобретения является смешение перегреваемого пара с продуктами сгорания водорода и кислорода, что опасно детонацией продуктов химического недожога, а также продуктов высокотемпературной диссоциации, содержащихся в получаемом перегретом паре.
Наиболее близким аналогом является способ повышения КПД и мощности двухконтурной атомной станции (см. патент РФ на изобретение №2335641, МПК F01К 3/18; G 21D 5/16, опубл. 10.10.2013 г.). Известный способ предназначен для повышения КПД и мощности двухконтурной атомной станции путем перегрева пара после реакторного парогенератора в котле-пароперегревателе с независимым источником тепловой энергии. Известный способ заключается в том, что в котле-пароперегревателе температуру пара повышают до 800-850°C, при которой при расширении пара в паротурбинной установке из последней ступени цилиндра низкого давления получают насыщенный пар со степенью сухости не менее 99% или слабо перегретый пар с температурой перегрева не более 5°C, тем самым обеспечивается повышение КПД паротурбинной установки и мощности атомной станции.
Недостатком известного способа (первый вариант) является то, что в данном варианте в качестве окислителя используется воздух, что не может обеспечить эффективное сжигание водорода и приводит к значительным выбросам окислов азота в атмосферу. Недостатком известного способа (второй вариант) является то, что при сжигании водорода в кислородной среде с получением высокотемпературного пара и смешение перегреваемого пара с продуктами сгорания при температуре получаемого перегретого пара 800-850°C опасно детонацией продуктов химического недожога, а также продуктов высокотемпературной диссоциации, содержащихся в получаемом перегретом паре.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение безопасного и эффективного сжигания водорода в кислороде для повышения маневренности и эффективности атомных электрических станций.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является эффективное и безопасное сжигание водорода с кислородом посредством замкнутой системы сжигания для выработки дополнительной электроэнергии на АЭС за счет повышения параметров острого пара или пара после промперегрева.
Указанный технический результат достигается тем, что на АЭС, содержащей основной реакторный парогенератор (ПГ), паротурбинную установку (ПТУ), котел-пароперегреватель (КП), подвод топлива и окислителя, согласно изобретению подача кислорода в КП через смесительное устройство (СУ) осуществляется с определенным избытком, при этом продукты сгорания после КП направляются в охладитель-конденсатор (О) для отделения непрореагировавшего избытка кислорода от водяного пара с последующей подачей непрореагировавшего избытка кислорода посредством компрессора (К) обратно в СУ КП для сжигания водородного топлива и перегрева пара после основного реакторного парогенератора для повышения мощности и эффективности АЭС.
Сущность изобретения заключается в обеспечении безопасного и эффективного сжигания водорода в кислородной среде посредством замкнутой системы сжигания для повышения мощности и эффективности АЭС за счет водородного перегрева пара в цикле паротурбинной установки. Это достигается за счет того, что сжигание водорода осуществляется с избытком кислорода, что приводит к снижению температуры продуктов сгорания до требуемого уровня и исключению недожога, а непрореагировавший избыток кислорода после конденсации водяного пара из продуктов сгорания в охладителе-конденсаторе возвращается на вход в котел-пароперегреватель посредством компрессора для реализации процесса горения водородного топлива.
Изобретение иллюстрируется чертежом (фиг. 1), где показана принципиальная технологическая схема водородного перегрева пара на АЭС. Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - котел-пароперегреватель; 2 - смесительное устройство; 3 - охладитель-конденсатор; 4 - компрессор; СРП - система регенеративного подогрева.
Работа осуществляется следующим способом. Сухой насыщенный пар из ПГ поступает в котел-пароперегреватель 1, где за счет сжигания водородного топлива в кислороде, подаваемых в смесительное устройство 2, осуществляется перегрев пара. После котла-пароперегревателя 1 перегретый пар поступает в основную ПТУ для выработки мощности. Для снижения температуры продуктов сгорания и предотвращения прожога теплообменных поверхностей котла-пароперегревателя 1 и исключения недожога в смесительное устройство 2 подается избыточного количество кислорода. Продукты сгорания после котла-пароперегревателя 1 направляются в охладитель-конденсатор 3, где за счет конденсации водяного пара происходит отделение непрореагировавшего кислорода от водяного пара, образующегося при сжигании водорода. Сконденсировавшийся водяной пар в виде горячей воды направляется в систему регенеративного подогрева основной ПТУ, а отделенный кислород посредством компрессора 4 направляется в смесительное устройство 2 для реализации процесса горения.
Отличительным признаком способа водородного перегрева пара на АЭС является обеспечение безопасного и эффективного сжигания водорода в кислородной среде посредством замкнутой системы сжигания при повышении эффективности и мощности АЭС посредством повышения температуры пара в цикле паротурбинной установки за счет сжигания водородного топлива в кислороде.