КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ЯДЕРНЫМ РЕАКТОРОМ Российский патент 2009 года по МПК F01K21/04 G21D5/00 

Изобретение относится к источникам энергии и может быть использовано в энергетических установках, преобразующих тепло в механическую энергию и далее в электрическую, использующих сжатые газы, а именно к комбинированным энергоустановкам с ядерным реактором.

Известна газотурбинная энергоустановка с ядерным реактором [1], включающая реактор, компрессор, газовую турбину, электрический генератор, теплообменник и газоохладитель. В этой энергоустановке газ периодически сжимается компрессором и подается в ядерный реактор, где нагревается до заданной температуры, затем этот газ расширяется, с целью получения механической энергии на газовой турбине.

Основными недостатками таких энергоустановок является большая работа, затрачиваемая на сжатие газа в компрессоре, и неэффективная утилизация тепла, что приводит к низкому КПД энергоустановок такого типа.

Известна комбинированная энергоустановка с ядерным реактором, взятая за прототип [2], включающая ядерный реактор, компрессор, газовую турбину с электрическим генератором, теплообменник, парогенератор, насос, паровую турбину с электрическим генератором и конденсатор. Эта комбинированная парогазовая энергоустановка работает следующим образом.

Газ с температурой, обеспечивающей прочность лопаток турбины, например ˜900°С, из ядерного реактора и с давлением 1,0-1,5 МПа, поступает на лопатки газовой турбины. При падении давления на выходе из газовой турбины до (0,3-0,4) МПа температура газа на выходе упадет приблизительно до 650°С. Газ, с температурой 650°С, поступает сначала в теплообменник, затем в парогенератор. В результате этого вода, которая сжимается насосом, нагревается, испаряется и перегревается за счет теплоты газа, выходящего из газовой турбины. Перегретый пар поступает в паровую турбину, преобразовывая тепло в электрическую энергию. Высокая эффективность этой установки связана с тем, что тепло рабочего тела газотурбинной установки утилизируется в паротурбинной установке.

Основными недостатками энергоустановки с ядерным реактором, взятой за прототип, являются:

1) неэффективное использование пара, на образование которого тратится очень много тепла;

2) в прототипе, для достижения температуры рабочего тела, обеспечивающей работоспособность лопаток турбины, необходим избыток газа, так как в современных турбинах верхняя температура рабочего тела, ограниченная прочностью лопаток турбины, не должна превышать ˜900°С. Для достижения температуры рабочего тела, обеспечивающей работоспособность лопаток турбины, необходимо приблизительно пятикратное увеличение количество газа для того, чтобы температура рабочего тела, получаемая от источника тепла с температурой ˜2500°С, не превышала ˜900°С.

Таким образом, задачей нового технического решения является увеличение эффективности энергоустановки за счет использования в процессе расширения в ГТУ не избытка газа, а пара, что приведет к значительному увеличению КПД и эффективности всей энергоустановки.

Это связано с тем, что газовая постоянная пара R=461,9 Дж/кг·град, а газовая постоянная инертного газа, который применяется в такого типа энергоустановоках например гелиево-ксеноновой смеси, R=99,2 Дж/кг·град. Поэтому для газовой турбины смесь пара с гелиевоксеноновой смесью является значительно более эффективным рабочим телом.

Таким образом, задачей нового технического решения является разработка такой комбинированной энергоустановки с ядерным реактором, в которой в газотурбинном цикле при расширении можно было бы использовать, гелиево-ксеноновую смесь с паром, выходящим из паровой турбины, для достижения температуры рабочего тела, обеспечивающей работоспособность лопаток турбины.

Задача решается совокупностью всех существенных признаков, а именно в комбинированную энергоустановку с ядерным реактором, содержащую источник тепла, вход которого соединен с выходом компрессора, газовую турбину с генератором тока, паровую турбину с генератором тока, парогенератор, теплообменник нагрева пара, конденсатор с газовой и жидкостной полостями, на магистрали выхода воды из жидкостной полости конденсатора установлен насос, соединенный с входом по воде парогенератора, при этом выход газа из газовой турбины соединен с первым входом теплообменника нагрева пара, введены: смеситель по газу и пару, смеситель по воде и пару, дополнительная магистраль выхода воды из жидкостной полости конденсатора с насосом, на которой установлен теплообменник, и магистраль с теплообменником-влагоотделителем и ресивером, соединяющая газовую полость конденсатора с компрессором, при этом выход газа из источника тепла соединен с входом газа смесителя по газу и пару, вход пара этого смесителя соединен с выходом пара из паровой турбины, а выход из этого смесителя соединен с входом в газовую турбину, второй вход теплообменника нагрева пара соединен с выходом пара из парогенератора, первый выход теплообменника нагрева пара соединен с входом пара в паровую турбину, второй выход теплообменника нагрева пара соединен с первым входом пара в парогенератор, второй выход которого по пару подключен к входу пара смесителя по воде и пару, вход по воде этого смесителя подключен к дополнительной магистрали выхода воды из конденсатора, а выход - к газовой полости конденсатора; кроме этого конденсатор снабжен датчиком уровня.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена принципиальная пневмогидросхема предлагаемой комбинированной энергоустановки с ядерным реактором, где обозначено:

1 - паровая турбина;

2 - смеситель по газу и пару;

3 - источник тепла;

4 - компрессор;

5 - газовая турбина;

6 - теплообменник нагрева пара;

7 - парогенератор;

8 - конденсатор

9 - насос;

10, 11 - генераторы тока;

12 - теплообменник;

13 - насос;

14 - датчик уровня;

15 - смеситель по воде и пару;

16 - теплообменник-влагоотделитель;

17 - ресивер.

Комбинированная энергоустановка с ядерным реактором состоит из паровой турбины 1 с генератором тока 11, выход пара у которой соединен с входом пара в смеситель по газу и пару 2. Вход газа в смеситель по газу и пару 2 проходит по каналам источника тепла 3 (ядерного реактора). Вход газа в источник тепла 3 соединен с выходом газа из компрессора 4. Выход парогазовой смеси из смесителя по газу и пару 2 соединен с входом в газовую турбину 5 с генератором тока 10. Выход парогазовой смеси из газовой турбины 5 соединен с первым входом теплообменника нагрева пара 6. Второй вход теплообменника нагрева пара 6 соединен с первым выходом пара из парогенератора 7. Первый выход теплообменника нагрева пара 6 соединен с входом пара в паровую турбину 1, а второй выход - с вторым входом парогенератора 7. Второй выход парогенератора 7 соединен с входом по пару в смеситель по воде и пару 15. Дополнительная магистраль жидкостной полости конденсатора 8, на которой установлены последовательно соединенные насос 13 и теплообменник 12 соединена с входом по воде смесителя по воде и пару 15. Выход смесителя по воде и пару 15 соединен с газовой полостью конденсатора 8. Выход газа из газовой полости конденсатора 8 соединен магистралью с входом в компрессор 4 через теплообменник-влагоотдетитель 16. На этой магистрали установлен ресивер 17. Конденсатор 8 снабжен датчиком уровня жидкости 14.

Комбинированная энергоустановка с ядерным реактором работает следующим образом.

Газ из газовой полости конденсатора 8 по магистрали, содержащей ресивер 17 и теплообменник-влагоотделитель 16, благодаря которому температура газа снижается до температуры окружающей среды, а вода, образовавшаяся в результате конденсации пара при охлаждении газа в теплообменнике-влагоотделителе 16, самотеком стекает в конденсатор 8, поступает на вход компрессора 4. В компрессоре 4 газ сжимается до заданного давления, например до 2,5 МПа, и направляется в источник тепла 3, например в атомный реактор, где нагревается до температуры ˜2000°С. После источника тепла газ поступает в смеситель по газу и пару 2, куда одновременно поступает пар, выходящий из паровой турбины 1 с температурой 110÷150°С. В смесителе по газу и пару 2 газ и пар смешиваются таким образом, чтобы температура смеси не превышала максимально допустимую температуру, обеспечивающую прочность и работоспособность материалов газовой турбины 5, например до температуры ˜900°С.

Смеситель по газу и пару 2, в котором происходит процесс смешивания пара с газом, представляет собой известный эжектор (см. Е.Я.Соколов, Н.М.Зингер «Струйные аппараты». М., Энергоатомиздат, 1989). Рабочий поток, который поступает в смеситель по газу и пару 2, выполненному, например, в виде эжектора, создается газом с высокой температурой, который подается из источника тепла 3 с высоким давлением, создаваемым компрессором 4. Инжектирующим потоком, поступающим в смеситель по газу и пару 2, является пар, выходящий из паровой турбины 1 в состоянии насыщения. Пар, смешиваясь с газом, образует сжатый поток, который поступает на лопатки газовой турбины с температурой, ограниченной прочностью лопаток турбины, например ˜950°С, и давлением 1,0-1,4 МПа.

Парогазовая смесь, образованная в смесителе по газу и пару 2, поступает на лопатки газовой турбины 5. При давлении на выходе из газовой турбины (0,25-0,3) МПа температура газа на выходе упадет приблизительно до 650°С.

Парогазовая смесь с температурой 650°С поступает в теплообменник нагрева пара 6. Теплообменник нагрева пара 6 представляет собой регенеративный теплообменник, где одно рабочее тело, пар, поступающий из парогенератора 7 с температурой 150÷200°С, нагреется на выходе до температуры ˜600°С, а парогазовая смесь, поступающая из газовой турбины 5 с температурой 650°С, соответственно охладится до температуры 150÷200°С.

Пар, нагретый до температуры ˜600°С, из теплообменника нагрева пара 6 с высоким давлением поступает на лопатки паровой турбины 1, где расширяется. Температура пара на выходе из паровой турбины после расширения упадет до (110-150)°С, и его можно использовать в смесителе по газу и пару 2 для смешивания с газом, поступающим из источника тепла 3 с температурой ˜2000°С таким образом, чтобы температура рабочего тела не превышала максимально допустимую температуру, обеспечивающую прочность и работоспособность материалов турбины 5, например до температуры ˜950°С.

Парогазовая смесь, охлажденная в теплообменнике нагрева пара 6 до температуры ˜200°С, поступает в парогенератор 7, который представляет собой также регенеративный теплообменник. В парогенераторе 7 парогазовая смесь, поступающая из теплообменника нагрева пара 6 с температурой ˜200°С, охлаждается до температуры ˜90°С, превращаясь в газожидкостную смесь, а вода, поступающая в парогенератор 7, превращается в пар с высоким давлением и с температурой ˜180°С. Газожидкостная смесь, выходящая из парогенератора 7 с температурой ˜90°С, поступает на вход смесителя по воде и пару 15, конструкция которого также широко известна и выполнена в виде, например, инжектора. Рабочий поток, который поступает в смеситель по воде и пару 15, создается насосом 13, который подает воду с большим давлением, охлажденную с помощью теплообменника 12 до необходимой температуры, например до ˜50°С. Инжектирующим потоком, поступающим в смеситель по воде и пару 15, является газ и пар с небольшим количеством воды в виде отдельных капель, выходящие из парогенератора 7.

Вода, которая была охлаждена до температуры ˜50°С, в результате смешивания будет нагреваться за счет охлаждения газа и конденсации пара до ˜80°С. Газ вместе с паром и водой с температурой ˜80°С образуют сжатый поток, который поступает в конденсатор 8.

Газ, поступающий через ресивер 17 на вход в компрессор 4, охлаждается до температуры окружающей среды в теплообменнике-влагоотделителе 16 и возвращается в газовый цикл. Вода возвращается в паровой цикл с помощью насоса 9.

Преимущество предлагаемого изобретения заключается в том, что пар, как рабочее тело, принимает участие в двух процессах расширения - и в паровой турбине, как самостоятельное рабочее тело, и в газовой турбине, как эффективная добавка к газу с высокой температурой, а также в том, что питательная вода в паровом цикле подается при температуре значительно выше температуру окружающей среды.

Это обстоятельство и обуславливает резкое и качественное повышение КПД предлагаемой комбинированной энергоустановки с ядерным реактором. Для предлагаемого термодинамического цикла КПД составляет около 0,65-0,67, т.е. на 10-13% выше существующих самых усовершенствованных комбинированных энергоустановок с ядерным реактором.

Список используемых материалов

1. «Ядерные газотурбинные и комбинированные установки». Энергоатомиздат, 1993 г., стр.31

2. «Ядерные газотурбинные и комбинированные установки». Энергоатомиздат, 1993 г., стр.46.

Изобретение относится к комбинированным парогазовым энергоустановкам. Согласно изобретению в комбинированной парогазовой энергоустановке с ядерным реактором, осуществляющей паровой и газовый циклы, пар как рабочее тело участвует как в паровом цикле, так и в газовом. Пар расширяется в паровой турбине, затем, после выхода из паровой турбины, смешивается с газом и нагревается до высокой температуры в газовой турбине. Пар с газом, выходящие из газовой турбины, являются источником тепла для нагрева жидкости, испарения и перегрева пара, превращаясь в результате регенерации тепла при этом в воду, которая возвращается в паровой цикл, и отделившийся от воды газ, который возвращается в газовый цикл. Изобретение позволяет повысить эффективность установки за счет того, что питательная вода подается в паровой цикл при температуре, близкой к температуре кипения, а также за счет расширения в газовом цикле не только газа, но и пара. Для предлагаемого термодинамического цикла КПД составляет около 0,65-0,67, т.е. на 10-13% выше существующих самых усовершенствованных комбинированных парогазовых энергоустановок. 1 ил.

Комбинированная энергоустановка с ядерным реактором, содержащая источник тепла, вход которого соединен с выходом компрессора, газовую турбину с генератором тока, паровую турбину с генератором тока, парогенератор, теплообменник нагрева пара, конденсатор с газовой и жидкостной полостями, на магистрали выхода воды из жидкостной полости конденсатора установлен насос, соединенный с входом по воде парогенератора, при этом выход газа из газовой турбины соединен с первым входом теплообменника нагрева пара, отличающаяся тем, что в нее введены: смеситель по газу и пару, смеситель по воде и пару, дополнительная магистраль выхода воды из жидкостной полости конденсатора с насосом, на которой установлен теплообменник и магистраль с теплообменником-влагоотделителем и ресивером, соединяющая газовую полость конденсатора с компрессором, при этом выход газа из источника тепла соединен с входом газа смесителя по газу и пару, вход пара этого смесителя соединен с выходом пара из паровой турбины, а выход из этого смесителя соединен с входом в газовую турбину, второй вход теплообменника нагрева пара соединен с выходом пара из парогенератора, первый выход теплообменника нагрева пара соединен с входом пара в паровую турбину, второй выход теплообменника нагрева пара соединен с первым входом пара в парогенератор, второй выход которого по пару подключен к входу пара смесителя по воде и пару, вход по воде этого смесителя подключен к дополнительной магистрали выхода воды из конденсатора, а выход - к газовой полости конденсатора, кроме этого, конденсатор снабжен датчиком уровня.