СИСТЕМА СЖИГАНИЯ ВОДОРОДА В КИСЛОРОДЕ В ЗАКРУЧЕННОМ ПОТОКЕ ПОВЫШЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПЕРЕГРЕВА РАБОЧЕГО ТЕЛА В ПАРОТУРБИННОМ ЦИКЛЕ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ Российский патент 2021 года по МПК G21D5/16 F22B1/26 

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования в паротурбинных установках (ПТУ) АЭС с системой сжигания водорода с кислородом для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле.

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. 116-118). 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 образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие отсутствия закручивания реагирующих компонентов, а также из-за резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с паром из парогенераторов АЭС перед паровой турбиной, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси в паротурбинном цикле АЭС. Также недостатком является необходимость принудительного внешнего водяного охлаждения камеры сгорания водородного перегревателя, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния охлаждающей воды и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте охлаждения, что со временем становится причиной неработоспособного состояния водородного перегревателя. Также недостатком является меньший рабочий ресурс камеры сгорания водородного пароперегревателя, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает эффективность использования теплоты от сжигания водорода, надежность работы камеры сгорания водородного пароперегревателя и безопасность использования водорода.

Известен парогенератор, содержащий запальное устройство с электросвечой и магистралями подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), смесительную головку с огневым днищем, коллекторами окислителя (кислорода) и горючего (водорода) и соответствующими магистралями, камеры сгорания и смешения, промежуточное сопло с профилированными стенками, вкладыш подачи балластировочного компонента с магистралью подвода балластировочного компонента, при этом смесительная головка содержит триплетные смесительные элементы с обеспечением соударения струй, профилированную торцевую стенку промежуточного сопла, расположенного между камерой сгорания и камерой смешения, выполненную оптимизированной по углу внедрения струй балластировочного компонента в факел продуктов сгорания и по линиям тока балластировочного компонента вдоль этой торцевой стенки для исключения отрыва потока балластировочного компонента от этой стенки, вкладыш подачи балластировочного компонента выполнен с отверстиями, обеспечивающими разнокалиберность струй балластировочного компонента (см. патент РФ на изобретение №2309325, МПК F22B 1/26, опубл. 27.10.2007 г.). Известный парогенератор предназначен 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 (порядка 3000°С).

Недостаток известного парогенератора заключается в образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие отсутствия закручивания реагирующих компонентов, а также из-за резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с охлаждающим балластировочным компонентом, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси. Также недостатком является необходимость принудительного внешнего водяного охлаждения камеры сгорания парогенератора, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния охлаждающей воды и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте охлаждения, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогенератора. Также недостатком является меньший рабочий ресурс камеры сгорания парогенератора, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает эффективность использования теплоты от сжигания водорода, надежность работы парогенератора и безопасность использования водорода.

Известен мини-парогенератор, работающий на химическом топливе кислород-водород с добавлением балластировочной воды и электрическим воспламенением, включающий узел зажигания, камеру сгорания, камеру смешения, подводящие магистрали, в том числе для подвода окислителя (кислорода), горючего (водорода), балластировочной воды, в котором узел зажигания и камера смешения объединены в единый узел воспламенительной форкамеры и смесительной головки с обеспечением подачи балластировочной воды наружного охлаждения камеры сгорания под углом к направлению потока продуктов сгорания, истекающих из промежуточного сопла, разделяющего камеры сгорания и смешения, при этом балластировочная вода подается под углом к потоку продуктов сгорания при заданном масштабе смешения, выход струи продуктов сгорания в камеру смешения осуществлен по принципу внезапного расширения для обеспечения требуемого уровня равномерности поля температур при подаче всего расхода балластировочной воды в одном поясе, что, в свою очередь, реализует охлаждение камеры сгорания полным расходом балластировочной воды (см. патент РФ на изобретение №2300049, МПК F22B 1/26, опубл. 27.05.2007 г.). Мини-парогенератор предназначен 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 (порядка 3000°С).

Недостаток известного мини-парогенератора заключается в образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие отсутствия закручивания реагирующих компонентов, а также из-за резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с охлаждающим балластировочным компонентом, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси. Также недостатком является необходимость принудительного внешнего водяного охлаждения камеры сгорания мини-парогенератора, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния охлаждающей воды и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте охлаждения, что со временем становится причиной неработоспособного состояния мини-парогенератора. Также недостатком является меньший рабочий ресурс камеры сгорания мини-парогенератора, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает эффективность использования теплоты от сжигания водорода, надежность мини-парогенератора и безопасность использования водорода.

Известен водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания (см. патент РФ на изобретение №2358191, МПК F22B 1/26, опубл. 10.06.2009 г.). Изобретение предназначено для выработки пара и может быть использовано в парогенераторах. Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания работает на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеет электрическое воспламенение, содержит камеру сгорания с цилиндрической частью и промежуточным соплом, посредством которого она соединена с камерой смешения, камеру смешения с выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды, при этом камера сгорания выполнена с охлаждающим трактом, разделенным на две части, - трактом охлаждения цилиндрической части камеры сгорания водородом и - трактом охлаждения промежуточного сопла камеры сгорания балластировочной водой. Изобретение обеспечивает возможность повышения давления и температуры в парогенераторе и улучшает эффективность его работы.

Недостаток известного водородного высокотемпературного парогенератора заключается в образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие отсутствия закручивания реагирующих компонентов, а также из-за резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с охлаждающим балластировочным компонентом, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси. Также недостатком является необходимость принудительного внешнего водяного охлаждения камеры сгорания высокотемпературного парогенератора, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния охлаждающей воды и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте охлаждения, что со временем становится причиной неработоспособного состояния мини-парогенератора. Также недостатком является меньший рабочий ресурс камеры сгорания высокотемпературного парогенератора, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает эффективность использования теплоты от сжигания водорода, надежность высокотемпературного парогенератора и безопасность использования водорода.

Известен водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения (см. патент РФ на изобретение №2358190, МПК F22B 1/26, опубл. 10.06.2009). Изобретение предназначено для выработки пара и может быть использовано в парогенераторах. Парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения работает на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеет электрическое воспламенение, содержит камеру сгорания с системой охлаждения и промежуточным соплом, камеру смешения с магистралью для подачи балластировочной воды и выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды. В камере смешения установлен цилиндрический пористый вкладыш, обеспечивающий комбинированное испарительное охлаждение камеры смешения, смачивание которого обеспечивают орошением балластировочной водой, поступающей из системы охлаждения камеры сгорания и магистрали для подачи балластировочной воды в камеру смешения. Изобретение обеспечивает эффективное охлаждение камеры смешения, увеличивает температуру и давление генерируемого пара.

Недостаток известного водородного высокотемпературного парогенератора с охлаждением камеры смешения заключается в образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие отсутствия закручивания реагирующих компонентов, а также из-за резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с охлаждающим балластировочным компонентом, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси. Также недостатком является необходимость принудительного внешнего водяного охлаждения камеры сгорания и камеры смешения высокотемпературного парогенератора, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния охлаждающей воды и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте охлаждения, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогенератора. Также недостатком является меньший рабочий ресурс камеры сгорания и камеры смешения высокотемпературного парогенератора, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает эффективность использования теплоты от сжигания водорода, надежность водородного высокотемпературного парогенератора с охлаждением камеры смешения и безопасность использования водорода.

Известен парогенератор (варианты) (см. патент РФ на изобретение №2431079, МПК F22B 1/26, опубл. 10.10.2011). Изобретение обеспечивает интенсификацию испарения балластной воды за счет лучшего перемешивания с продуктами сгорания топлива в широком диапазоне температур и давлений генерируемого пара, а также повышение надежности охлаждения камеры сгорания парогенератора. Достижение поставленной задачи решается двумя вариантами конструкций парогенератора. В первом варианте изобретения предлагается конструкция парогенератора, который состоит из расположенных соосно и последовательно смесительной головки с узлом зажигания, охлаждаемой камеры сгорания, камеры смешения с соплом, внутренние полости которых образуют единый рабочий канал, а также включает подводящие магистрали окислителя, горючего и балластной воды. Смесительная головка снабжена расположенной в канале подвода окислителя по оси головки центробежной форсункой подвода части балластной воды. Между камерой сгорания и камерой смешения расположен узел ввода оставшейся части балластной воды, представляющий собой цилиндрическую вставку, снабженную центробежной форсункой, расположенной по оси камеры сгорания и направленной внутрь рабочего канала камеры сгорания. Парогенератор по второму варианту отличается от первого варианта конструкцией узла подачи балластной воды, который представляет собой вставку, имеющую внутренний сужающийся участок, диаметр которого на входе равен диаметру рабочего канала камеры сгорания. На поверхности сужающего участка вставки равномерно по окружности расположены под углом к оси камеры сгорания три или более центробежные форсунки, направленные внутрь рабочего канала камеры сгорания.

Недостаток известного парогенератор (варианты) заключается в образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие отсутствия закручивания реагирующих компонентов, а также из-за резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с охлаждающим балластировочным компонентом, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси. Также недостатком является необходимость принудительного внешнего водяного охлаждения камеры сгорания и камеры смешения парогенератора, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния охлаждающей воды и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте охлаждения, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогенератора. Также недостатком является меньший рабочий ресурс камеры сгорания и камеры смешения парогенератора, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает эффективность использования теплоты от сжигания водорода, надежность парогенератор (варианты) и безопасность использования водорода.

Известен способ образования пара в парогазогенераторе и устройство для его осуществления (см. патент РФ на изобретение №2371594, МПК F02C 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 образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие отсутствия закручивания реагирующих компонентов, а также из-за резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с охлаждающей водой, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси. Также недостатком является наличия затрат тепла от сжигания водорода в кислороде для изменения фазового состояния охлаждающей воды, впрыскиваемой в камеру сгорания и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте подачи охлаждающей воды, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогазогенератора. Также недостатком является меньший рабочий ресурс камеры сгорания парогазогенератора, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает эффективность использования теплоты от сжигания водорода, надежность парогазогенератора и безопасность использования водорода.

Известно запальное устройство, содержащее корпус, рубашку охлаждения, кольцевой коллектор окислителя, расположенный на входе, магистраль горючего, центральный электрод свечи зажигания, при этом рубашка охлаждения выполнена в виде каналов, образованных продольными ребрами и наклоненных на выходе к продольной оси под углом, равным 37-52°, центральный электрод свечи зажигания расположен в магистрали горючего, на внутренней поверхности коллектора окислителя выполнены радиальные выступы, в которых установлены струйные форсунки окислителя, направленные к электроду свечи зажигания (см. патент РФ на изобретение №2084767, МПК F23Q 3/00, опубл. 20.07.1997 г.). Запальное устройство предназначено для использования в силовых установках, работающих на энергии сжигаемых несамовоспламеняющихся высококалорийных топлив, преимущественно водород-кислородного, в частности, для запуска парогенераторов, газотурбинных установок, жидкостных реактивных двигателей, мартеновских печей и т.д. В известном запальном устройстве реализован принцип двухступенчатого сжигания водорода с кислородом, когда первоначально происходит ионизирование водорода в среде кислорода с образованием факела, который при избытке кислорода смешивается со вновь подаваемой долей водорода, на выходе из форкамеры в нестехиометрическом соотношении. При этом вторичная подача водорода осуществляется через охлаждающие каналы форкамеры запального устройства.

Недостаток известного запального устройства заключается в образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие отсутствия закручивания реагирующих компонентов, что приведет к образованию гремучей смеси. Также недостатком является меньший рабочий ресурс камеры сгорания запального устройства, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает надежность запального устройства и безопасность использования водорода.

Известно электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной, включающее паровой котел, высокотемпературный Н₂/О₂ - 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, а суммарные примеси неконденсирующихся газов при температуре от 20 до 100°С в водороде и кислороде должны быть менее 0,5% по объему, причем входы в высокотемпературный пароперегреватель соединены с выходом парового котла и выходами из установок для производства водорода и кислорода с расходами по водороду и кислороду в пропорциях близких (около ±1%) к стехиометрическим для обеспечения их полного сгорания в среде водяного пара без промежуточной теплообменной поверхности, а выход высокотемпературного пароперегревателя соединен с входом в паровую турбину, причем выход установки для производства водорода по уходящим газам соединен с газовым трактом теплоутилизационного котла, и, кроме того, выход из теплоутилизационного котла по пару соединен с промежуточным вводом в паровую турбину и (или) системой охлаждения проточной части паровой турбины (см. патент РФ на полезную модель №64699, МПК F01K 13/00, опубл. 27.05.2007 г.). Устройство предназначено для производства электроэнергии с использованием высокотемпературной паровой турбины с комбинированным, в том числе водородным, топливом.

Недостаток известного электрогенерирующего устройства с высокотемпературной паровой турбиной заключается в образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие отсутствия закручивания реагирующих компонентов, а также из-за резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с охлаждающей водой, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси. Также недостатком является наличия затрат тепла от сжигания водорода в кислороде для изменения фазового состояния охлаждающей воды и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте охлаждения, что со временем становится причиной неработоспособного состояния водород-кислородного пароперегревателя. Также недостатком является меньший рабочий ресурс камеры сгорания водород-кислородного пароперегревателя, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает эффективность использования теплоты от сжигания водорода, надежность водород-кислородного пароперегревателя и безопасность использования водорода.

Известен способ повышения КПД и мощности двухконтурной атомной станции (см. патент РФ на изобретение №2335641, МПК F01K 3/18, G21D5/16, опубл. 10.10.2008). Устройство для реализации предлагаемого способа содержит последовательно соединенные реактор, парогенератор, циркуляционный насос, подсоединенную через водородную форсунку к выходу парогенератора водородную камеру сгорания, турбину, состоящую из высокотемпературного цилиндра высокого давления, цилиндра среднего давления и цилиндра низкого давления, валом соединенных с генератором, конденсатор, установленный на выходе цилиндра низкого давления, подключенный через питательный насос к входу парогенератора. Выход парогенератора по пару одновременно соединен с входом в водородную форсунку водородной камеры сгорания через вентиль и при помощи паропровода с внутренним пространством водородной камеры сгорания, выход водородной камеры сгорания по пару соединен с входом в цилиндр высокого давления.

Недостаток известного способа повышения КПД и мощности двухконтурной атомной станции заключается в образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие отсутствия закручивания реагирующих компонентов, а также из-за резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с паром из парогенераторов АЭС, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси. Также недостатком является необходимость принудительного внешнего водяного охлаждения водород-кислородной камеры сгорания, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния охлаждающей воды и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте охлаждения, что со временем становится причиной неработоспособного состояния водород-кислородной камеры сгорания. Также недостатком является меньший рабочий ресурс водород-кислородной камеры сгорания, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает эффективность использования теплоты от сжигания водорода, надежность работы водород-кислородной камеры сгорания и безопасность использования водорода.

Известен вихревой водород-кислородный пароперегреватель (см. патент РФ на изобретение №2361146, МПК F22G 1/16, 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°С перегревается сжиганием 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.

Недостаток известного вихревого водород-кислородного пароперегревателя заключается в образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с рабочим телом паротурбинного цикла теплоэнергетической установки, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси. Также недостатком является меньший рабочий ресурс водород-кислородной камеры сгорания и камеры смешения, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает надежность работы вихревого водород-кислородного пароперегревателя и безопасность использования водорода.

Известна система сжигания водорода в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара (см. патент РФ на изобретение №2488903, МПК G21D 5/16, опубл. 27.07.2013), включающая 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. К дожигающей камере сгорания подсоединены магистрали подачи балластировочной воды со встроенными форсунками, пролегающие вдоль камеры сгорания с противоположных сторон и сообщающиеся с ее внутренней полостью. Изобретение обеспечивает возможность паро-водородного перегрева свежего пара при температуре ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом (450°С) с обеспечением регулирования температуры водород-кислородного пара в условиях сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии.

Недостаток известной системы сжигания водорода в цикле АЭС заключается в образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие отсутствия закручивания реагирующих компонентов, а также из-за резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с паром из парогенераторов АЭС при работе в штатном режиме, либо в результате впрыска охлаждающей воды в аварийном режиме с обесточиванием АЭС, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси. Также недостатком является необходимость в штатном режиме работы принудительного внешнего водяного охлаждения водород-кислородной камеры сгорания, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния охлаждающей воды и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте охлаждения, что со временем становится причиной неработоспособного состояния водород-кислородной камеры сгорания. Также недостатком является меньший рабочий ресурс водород-кислородной камеры сгорания, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает эффективность использования теплоты от сжигания водорода, надежность работы системы сжигания водорода и безопасность использования водорода.

Известна система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции (см. патент РФ на изобретение №2427048, МПК G21D 5/16, F22B 1/26, F01K 3/18, опубл. 20.08.2011). Система сжигания водорода содержит водород-кислородную камеру сгорания первоначального нестехиометрического окисления, запальное устройство, дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления, подводящие магистрали, осуществляющие подачу водорода в дожигающую водород-кислородную камеру сгорания, полость смешения высокотемпературного пара со свежим паром. Изобретение обеспечивает перегрев водяного пара, температура которого ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом (450°С) без использования специальной принудительной подачи охлаждающего пара, причем система сжигания встроена в основной трубопровод перегреваемого пара перед паровой турбиной и в результате охлаждения тепло передается непосредственно рабочему телу паротурбинной установки АЭС.

Недостаток известной системы сжигания водорода заключается в образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие отсутствия закручивания реагирующих компонентов, а также из-за резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с паром из парогенераторов АЭС, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси. Также недостатком является необходимость принудительного внешнего водяного охлаждения водород-кислородной камеры сгорания, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния охлаждающей воды и сопряжено с образованием солевых отложений в тракте охлаждения, что со временем становится причиной неработоспособного состояния водород-кислородной камеры сгорания. Также недостатком является меньший рабочий ресурс водород-кислородной камеры сгорания, выполненной из жаропрочной стали в условиях термических напряжений, возникающие при сжигании водорода в кислороде. Все это снижает эффективность использования теплоты от сжигания водорода, надежность работы системы сжигания водорода и безопасность использования водорода.

Наиболее близким аналогом является система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции с закрученным течением компонентов и с использованием ультравысокотемпературных керамических материалов, включающая водород-кислородный парогенератор с запальным устройством, магистрали подвода окислителя (кислорода) и горючего (водорода), водород-кислородную камеру сгорания первоначального нестехиометрического окисления с закручивающим лопаточным устройством, 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, а стенки водород-кислородных камер сгорания выполнены из ультравысокотемпературного керамического материала, обеспечивающих работу системы сжигания в условиях парового охлаждения (патент РФ на изобретение №2709237, МПК F22B 1/26, G21D 5/16, опубл. 17.12.2019 г.). Система сжигания обеспечивает наиболее полное сгорание водорода в кислороде за счет закрученного течения компонентов при отсутствии перегрева и пластической деформации стенок дожигающей водород-кислородной камеры сгорания в условиях парового охлаждения.

Недостаток известной системы сжигания водорода заключается в образовании непрореагировавшего водорода при сгорании в кислороде вследствие резкого снижения температуры диссоциированного пара при смешении с паром из парогенераторов АЭС, что снижает скорость рекомбинаций водорода в сторону образования пара и приведет к образованию гремучей смеси. Это снижает безопасность использования водорода.

Задачей настоящего изобретения является повышение безопасности использования водорода при сжигании в среде кислорода при перегреве рабочего тела ПТУ АЭС.

Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является получение недиссоциированного пара при сжигании водорода в кислороде в закрученном потоке при смешении с рабочим телом ПТУ АЭС с целью перегрева.

Система сжигания водорода в кислороде в закрученном потоке повышенной безопасности с использованием ультравысокотемпературных керамических материалов для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле атомной электрической станции, включающая нестехиометрическую часть водород-кислородной камеры сгорания, снабженная запальным устройством, стехиометрическую дожигающую часть водород-кислородной камеры сгорания, магистрали подвода окислителя (кислорода) и горючего (водорода), полость смешения высокотемпературного пара с паром паротурбинного цикла АЭС, при этом стехиометрическая дожигающая часть водород-кислородной камеры сгорания выполнена в виде диффузора, размещенного в полости смешения высокотемпературного пара с паром паротурбинного цикла АЭС при этом стенки нестехиометрической части водород-кислородной камеры сгорания и стехиометрической дожигающей части выполнены из ультравысокотемпературного керамического материала, а нестехиометрическая часть водород-кислородной камеры сгорания содержит лопаточное закручивающее устройство также выполненного из ультравысокотемпературного керамического материала в составе единой конструкции с системой зажигания, согласно изобретения, стехиометрическая дожигающая часть водород-кислородной камеры сгорания соединена с теплообменной пароперегревательной поверхностью, выполненной из ультравысокотемпературного керамического материала.

Использование системы сжигания водорода повышенной безопасности для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле атомной электрической станции повышает безопасность сжигания водорода с кислородом при перегреве рабочего тела в паротурбинном цикле АЭС. Это достигается тем, что закручивание смеси водяного пара с избыточным количеством кислорода в нестехиометрической части водород-кислородной камеры сгорания создает условия для наиболее полного окисления водорода в стехиометрической дожигающей части водород-кислородной камеры сгорания. При этом стенки нестехиометрической части водород-кислородной камеры сгорания и стехиометрической дожигающей части выполнены из ультравысокотемпературного керамического материала, а в нестехиометрической части установлено лопаточное закручивающее устройство выполненного из ультравысокотемпературного керамического материала. За счет соединения стехиометрической дожигающей части водород-кислородной камеры сгорания с теплообменной пароперегревательной поверхностью обеспечивается плавное снижение температуры диссоциированного пара до температуры, при которой пар становится недиссоциированным с завершением рекомбинаций непрореагировавшего водорода в сторону образования пара, что не создает условий образования гремучей смеси в ПТУ АЭС. При этом теплообменная пароперегревательная поверхность выполнена из ультравысокотемпературного керамического материала. Данные материалы способны длительно работать в окислительной среде при температурах до 2000°С. При этом температура плавления у керамики на основе борида гафния и циркония 3380 и 3250°С соответственно. Температура плавления у керамики на основе карбида гафния 3890°С. Имеют небольшую плотность и высокие прочностные свойства при повышенных температурах. Таким образом, данные материалы более надежны и долговечны в условиях термических напряжений при сжигании водорода в кислороде.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлена система сжигания водорода в кислороде в закрученном потоке повышенной безопасности с использованием ультравысокотемпературных керамических материалов для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле атомной электрической станции. Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - нестехиометрическая часть водород-кислородной камеры сгорания; 2 - запальное устройство; 3 - лопаточное закручивающее устройство; 4 - стехиометрическая дожигающая часть водород-кислородной камеры сгорания; 5 - подводящие магистрали, осуществляющие подачу водорода в стехиометрическую дожигающую часть водород-кислородной камеры сгорания; 6 - теплообменная пароперегревательная поверхность; 7 - полость смешения высокотемпературного пара с рабочим телом паротурбинного цикла АЭС.

Система сжигания водорода в кислороде в закрученном потоке повышенной безопасности с использованием ультравысокотемпературных керамических материалов для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле атомной электрической станции включает подачу пара от парогенераторов АЭС, подачу водорода и кислорода из системы хранения в нестехиометрическую часть водород-кислородной камеры сгорания 1 с запальным устройством 2, содержащим единый узел зажигания, запальную свечу (электросвечу), лопаточное закручивающее устройство 3, подачу водорода в стехиометрическую дожигающую часть водород-кислородной камеры сгорания 4 по подводящим магистралям 5. При этом стехиометрическая дожигающая часть водород-кислородной камеры сгорания 4 соединена с теплообменной пароперегревательной поверхностью 6 и размещается в специальной полости смешения 7 высокотемпературного пара с рабочим телом паротурбинного цикла АЭС.

Система сжигания водорода в кислороде в закрученном потоке повышенной безопасности с использованием ультравысокотемпературных керамических материалов для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле атомной электрической станции работает следующим образом.

В часы ночного внепикового провала электрической нагрузки АЭС за счет ее электроэнергии, выработанные водород и кислород в электролизной установке при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов аккумулируются в системе хранения на основе металлических емкостей. В часы пиковых электрических нагрузок в энергосистеме водород и кислород отбираются из емкостей хранения и при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов компримируются до давления рабочего тела в паротурбинном цикле АЭС, поступают в нестехиометрическую часть водород-кислородной камеры сгорания 1, где за счет запального устройства 2 происходит окисление водорода в нестехиометрическом соотношении с кислородом без использования охлаждающей воды. В результате образуется водяной пар с содержанием непрореагировавшего кислорода при температуре смеси соответствующей самовоспламенению водорода. При этом полученная смесь водяного пара с содержанием непрореагировавшего кислорода закручивается за счет лопаточного устройства 3 и поступает в стехиометрическую дожигающую часть водород-кислородной камеры сгорания 4, представляющую собой диффузор, соединенный с теплообменной пароперегревательной поверхностью 6 и размещенный в полости смешения 7 с рабочим телом паротурбинного цикла АЭС. Образующийся при этом высокотемпературный диссоциированный водяной пар на выходе из стехиометрической дожигающей части водород-кислородной камеры сгорания 4 с целью плавного снижения его температуры и уменьшения количества непрореагировавшего водорода движется в трубном пространстве теплообменной пароперегревательной поверхности 6, перегревая снаружи рабочее тело паротурбинного цикла АЭС, после чего смешивается с рабочим телом, перегревая его до более высокой температуры. В результате плавного снижения температуры диссоциированного пара на выходе из пароперегревательной поверхности он имеет температуру ниже состояния диссоциации, в результате чего завершается рекомбинация непрореагировавшего водорода в сторону образования пара, что не создает условий образования гремучей смеси в ПТУ АЭС. Использование ультравысокотемпературных керамических материалов для водород-кислородной камеры сгорания и для пароперегревательной поверхности обеспечивает большую надежность и долговечность системы сжигания в условиях термических напряжений при сжигании водорода в кислороде.

Отличительным признаком предложенного изобретения является повышение безопасности использования водорода при перегреве пара в паротурбинном цикле АЭС за счет получения недиссоциированного пара в результате сжигания водорода в кислороде в закрученном потоке.

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования в паротурбинных установках (ПТУ) АЭС с системой сжигания водорода с кислородом для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле. Система сжигания водорода в кислороде в закрученном потоке повышенной безопасности с использованием ультравысокотемпературных керамических материалов для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле атомной электрической станции, включающая стехиометрическую дожигающую часть водород-кислородной камеры сгорания, соединенную с теплообменной пароперегревательной поверхностью, выполненной из ультравысокотемпературного керамического материала. Изобретение позволяет получать недиссоциированный пар при сжигании водорода в кислороде в закрученном потоке при смешении с рабочим телом ПТУ АЭС с целью перегрева. 1 ил.

Система сжигания водорода в кислороде в закрученном потоке с использованием ультравысокотемпературных керамических материалов для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле атомной электрической станции, включающая нестехиометрическую часть водород-кислородной камеры сгорания, снабженная запальным устройством, стехиометрическую дожигающую часть водород-кислородной камеры сгорания, магистрали подвода окислителя (кислорода) и горючего (водорода), полость смешения высокотемпературного пара с паром паротурбинного цикла АЭС, при этом стехиометрическая дожигающая часть водород-кислородной камеры сгорания выполнена в виде диффузора, размещенного в полости смешения высокотемпературного пара с паром паротурбинного цикла АЭС, при этом стенки нестехиометрической части водород-кислородной камеры сгорания и стехиометрической дожигающей части выполнены из ультравысокотемпературного керамического материала, а нестехиометрическая часть водород-кислородной камеры сгорания содержит лопаточное закручивающее устройство также выполненного из ультравысокотемпературного керамического материала в составе единой конструкции с системой зажигания, отличающаяся тем, что стехиометрическая дожигающая часть водород-кислородной камеры сгорания соединена с теплообменной пароперегревательной поверхностью, выполненной из ультравысокотемпературного керамического материала.