СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АЭС В УСЛОВИЯХ НЕРАВНОМЕРНОГО ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВОДОРОДНО-ТЕПЛОВОГО АККУМУЛИРОВАНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G21D1/00 G21D3/18 

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования на атомных электрических станциях (АЭС) с водоохлаждаемыми реакторами.

Известна энергетическая установка (см. авт. свид. СССР на изобретение № 1133428, МПК F01K 17/00; 13/00, опубл. 07.01.1985), содержащая подключенный к линии подачи острого пара из парогенератора в основную паротурбинную установку (ПТУ) фазовый аккумулятор, в котором в период уменьшения нагрузки аккумулируется тепловая энергия, а в часы пиковых нагрузок генерируется пар, служащий рабочим телом для дополнительной ПТУ, предназначенной для получения дополнительной пиковой мощности.

Недостатком известной установки является то, что она предназначена для повышения маневренности энергоблока АЭС и не может быть использована для расхолаживания реактора при полном обесточивании станции, так как пар, генерируемый за счет остаточного тепловыделения, не может быть использован напрямую в ПТУ, а аккумулированного тепла недостаточно для расхолаживания в течение 72 ч (требование МАГАТЭ). Кроме того, аккумуляторы фазового перехода имеют сложную и дорогостоящую конструкцию, в связи с чем не получили развитие в современной энергетике.

Известен способ повышения маневренности АЭС с паро-водородным перегревом пара на сателлитной ПТУ, параллельно подключенной к основной ПТУ (см., например, статью Малышенко С.П., Назаровой О. В., Сарутова 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 ПТУ подается часть основного пара путем его разделения перед цилиндром высокого давления основной ПТУ АЭС При входе в сателлитную ПТУ осуществляется паро-водородный перегрев пара.

Недостатком известной схемы является использование сателлитной ПТУ только через разгрузку основной ПТУ, что сопряжено с потерей ее мощности и возникновением переменного расхода рабочего тела, что повлечет за собой снижение надежности. Кроме того, отдельно стоящий узел для сжигания водорода в кислороде требует дополнительных затрат на обеспечение безопасности его эксплуатации, в связи со взрывоопасностью водорода. Это приводит к повышению стоимости установки. При этом станция имеет диапазон маневрирования, который ограничен объемом вырабатываемых в периоды минимума нагрузок водорода и кислорода, поэтому увеличение маневренных возможностей возможно только за счет соответствующего увеличения дорогостоящей системы хранения и производства водородного топлива.

Известен способ повышения маневренности турбинной установки атомной электростанции (см. патент РФ № 2459293, МПК - G21D 01/00, МПК - F01K 23/10, МПК - G21D 05/08, МПК - G21D 03/08. Бюл. № 23, опубл. 20.08.2012), предназначенный для обеспечения надежного режима работы основной ПТУ АЭС. Свежий пар, предназначенный для осуществления промежуточного перегрева, вытесняется в результате водородного перегрева пара после сепаратора. Вытесненный пар направляется на сателлитную ПТУ, в результате чего устраняется переменный расход рабочего тела основной ПТУ энергоблока АЭС.

Недостатком известного способа является установка водородного пароперегревателя в основном цикле АЭС, что сложно реализуемо и повлечет снижение безопасности энергоблока, в связи с взрывоопасностью водородного топлива. Кроме того, в случае работы по 1-му варианту без водородного перегрева пар поступает в сателлитную паровую турбину с низкими параметрами, что приводит к уменьшению выработки электрической энергии и повышению влажности, следовательно, к снижению эффективности и надежности установки. Отдельно стоящий узел для сжигания водорода в кислороде требует дополнительных затрат на обеспечение безопасности его эксплуатации, в связи со взрывоопасностью водорода. Это приводит к повышению стоимости установки. При этом станция имеет диапазон маневрирования, который ограничен объемом вырабатываемых в периоды минимума нагрузок водорода и кислорода, поэтому увеличение маневренных возможностей возможно только за счет соответствующего увеличения дорогостоящей системы хранения и производства водородного топлива.

Известен способ расхолаживания водо-охлаждаемого реактора посредством многофункциональной системы отвода остаточного тепловыделения в условиях полного обесточивания АЭС (см. патент РФ № 2601285, МПК - G21 D 01/00, МПК - F01K 23/10, МПК - G21C 15/18, МПК - G21D 03/08. Бюл. № 30, опубл. 27.10.2016), предназначенный для расхолаживания реактора при полном обесточивании, путем использования энергии остаточного тепловыделения активной зоны и аккумулированного тепла для подогрева питательной воды и генерации пара, используемого в качестве рабочего тела в дополнительной ПТУ, генерирующей в аварийном режиме необходимую для расхолаживания электроэнергию. В штатном режиме в ночные внепиковые часы горячая вода аккумулируется в баках-аккумуляторах, после чего в дневное время за счет аккумулированного тепла вытесняется часть отборов пара, в результате чего образуется дополнительный расход пара, приводящий к повышению мощности цилиндра высокого давления (ЦВД) основной ПТУ, после ЦВД избыток пара направляется на дополнительную ПТУ для выработки электроэнергии.

Недостатком известного способа является возникновение переменного расхода рабочего тела в основной ПТУ, что требует ее дорогостоящей модернизации и снижает надежность энергоблока АЭС. Кроме того, в аварийной ситуации с полным обесточиванием, сопровождаемым течью в первом контуре, дополнительная ПТУ не сможет обеспечить электроснабжение собственных нужд.

Известна установка для обеспечения маневренности атомных электрических станций (см. патент РФ на изобретение № 70312, МПК F01K 13/02 (2006.01), H02J 9/04 (2006.01), G21D 3/08 (2006.01), опубл. 20.01.2008 г.), предназначенная для обеспечения маневренности АЭС за счет выработки дополнительной энергии в пиковой ПТУ, работающей на высокотемпературном паре, генерируемом в водород-кислородном парогенераторе. В периоды минимума нагрузок, путем электролиза воды, осуществляется генерация водорода и кислорода, что является дополнительной нагрузкой и повышает маневренность станции, защищает реактор от необходимости разгрузки, позволяя ему работать в номинальном режиме. Полученные кислород и водород направляются в емкости хранения. В периоды нехватки электрической мощности энергоблока, компенсация недостающей мощности будет осуществляться энергетическим потенциалом сгенерированных водорода и кислорода, которые подаются в камеру сгорания, где, в результате сгорания, образуется высокотемпературный пар, поступающий на пиковую ПТУ для выработки недостающей электроэнергии.

Недостатком известной установки для обеспечения маневренности АЭС является перерасход водородного топлива, возникающий за счет необходимости нагрева воды, поступающей в камеру сгорания, до температуры насыщения. Кроме того, станция имеет определенный диапазон маневрирования, который ограничен объемом вырабатываемых в периоды минимума нагрузок водорода и кислорода, поэтому увеличение маневренных возможностей возможно только за счет соответствующего увеличения дорогостоящей системы хранения и производства водородного топлива. Пиковая ПТУ не может быть использована для расхолаживания реактора с использованием остаточного тепловыделения реактора при полном обесточивании АЭС, так как не имеет прямой связи с парогенератором. Смешение воды и продуктов сгорания водорода в кислородной среде приводит к значительному недожогу водородного топлива, что повышает вероятность возникновения взрывоопасной ситуации вследствие накопления продуктов недожога. Отдельно стоящий узел для сжигания водорода в кислороде требует дополнительных затрат на обеспечение безопасности его эксплуатации, в связи со взрывоопасностью водорода. Это приводит к повышению стоимости установки.

Известен способ водородного перегрева пара на АЭС (см. патент РФ на изобретение № 2661231, МПК F01K 3/18 (2006.01), G21D 5/16 (2006.01), СПК F01K 3/18 (2006.01) G21D 5/16 (2006.01), опубл. 28.09.2017 г.), осуществляемый за счет того, что подача кислорода в котел-пароперегреватель через смесительное устройство осуществляется с избытком для снижения температуры продуктов сгорания и исключения недожога. Продукты сгорания после котла-пароперегревателя направляются в охладитель-конденсатор для отделения непрореагировавшего избытка кислорода от водяного пара путем его конденсации с последующей подачей избытка кислорода обратно в смесительное устройство котла-пароперегревателя для сжигания водородного топлива и перегрева пара после основного реакторного парогенератора с целью повышения мощности и эффективности АЭС.

Недостатком известного способа является возникновение переменного расхода рабочего тела в основной ПТУ, что снижает надежность энергоблока АЭС. Кроме того, в аварийной ситуации с полным обесточиванием основная ПТУ не сможет обеспечить электроснабжение собственных нужд. Для сжигания водорода с избытком окислителя необходимо вырабатывать избыточное количество кислорода, что потребует дополнительных затрат. Отдельно стоящий узел для сжигания водорода в кислороде требует дополнительных затрат на обеспечение безопасности его эксплуатации, в связи с взрывоопасностью водорода. Это приводит к повышению стоимости установки. При этом станция имеет диапазон маневрирования, который ограничен объемом вырабатываемых в периоды минимума нагрузок водорода и кислорода, поэтому увеличение маневренных возможностей возможно только за счет соответствующего увеличения дорогостоящей системы хранения и производства водородного топлива. Кроме того, использование водяного пара с низким значением теплоемкости и коэффициента теплоотдачи для охлаждения продуктов сгорания значительно увеличивает площадь теплообменных поверхностей, что также приводит к значительному удорожанию установки и значительному гидравлическому сопротивлению парового тракта. При этом значительная часть тепла от сгорания водородного топлива полезно не используется, а отводится через конденсатор.

Известен способ повышения мощности двухконтурной АЭС за счет комбинирования с водородным циклом (см. патент РФ на изобретение № 2707182, МПК G21D 5/16 (2006.01), СПК G21D 5/16 (2019.08), опубл. 25.11.2019 г.), осуществляемый за счет того, что питательная вода после тракта охлаждения продуктов сгорания водорода в кислороде поступает в смешивающий пароводяной подогреватель для ее подогрева выше номинальной температуры, но не выше температуры кипения при данном давлении перед подачей в парогенератор. Подмешанные к питательной воде сконденсировавшиеся продукты сгорания водорода в кислороде после срабатывания в паротурбинной установке выводятся из цикла после конденсатора и направляются в бак-аккумулятор. Часть продуктов сгорания водорода в кислороде направляется в смешивающий паро-паровой перегреватель. Подмешанные к перегреваемому пару продукты сгорания водорода в кислороде после срабатывания в паротурбинной установке выводятся из цикла после конденсатора паротурбинной установки и направляются в бак-аккумулятор.

Недостатком известного способа является возникновение переменного расхода рабочего тела в основной ПТУ, что снижает надежность энергоблока АЭС. Кроме того, в аварийной ситуации с полным обесточиванием основная ПТУ не сможет обеспечить электроснабжение собственных нужд. Отдельно стоящий узел для сжигания водорода в кислороде требует дополнительных затрат на обеспечение безопасности его эксплуатации, в связи с взрывоопасностью водорода. Это приводит к повышению стоимости установки. При этом станция имеет диапазон маневрирования, который ограничен объемом вырабатываемых в периоды минимума нагрузок водорода и кислорода, поэтому увеличение маневренных возможностей возможно только за счет соответствующего увеличения дорогостоящей системы хранения и производства водородного топлива. Кроме того, усложняется эксплуатация установки за счет возможной нестабильности процессов конденсации водяного пара в пароводяном подогревателе.

Известен способ водородного подогрева питательной воды на АЭС (см. патент РФ на изобретение № 2709783, МПК G21D 5/00 (2006.01), F22B 1/26 (2006.01), F01K 3/18 (2006.01), F02C 3/30 (2006.01), СПК G21D 5/00 (2019.08), F22B 1/26 (2019.08), F02C 3/30 (2019.08), F01K 3/18 (2019.08), опубл. 20.12.2019 г.), осуществляемый за счет того, что смесь дополнительно генерируемого в парогенераторе пара, полученного за счет подогрева питательной воды перед парогенератором и продуктов сгорания водорода в кислородной среде, после тракта охлаждения продуктов сгорания направляется в дополнительную паровую турбоустановку для выработки мощности, при этом сконденсированный в конденсаторе дополнительно генерируемый пар направляется в регенеративный цикл основной паротурбинной установки, а сконденсированный водяной пар из продуктов сгорания направляется в бак-аккумулятор. При этом неконденсирующиеся из продуктов сгорания газы через систему спецгазоочистки выбрасываются в атмосферу.

Недостатком известного способа является то, что в аварийной ситуации с полным обесточиванием, сопровождаемым течью в первом контуре, дополнительная ПТУ не сможет обеспечить электроснабжение собственных нужд. Кроме того, отдельно стоящий узел для сжигания водорода в кислороде требует дополнительных затрат на обеспечение безопасности его эксплуатации, в связи с взрывоопасностью водорода. Это приводит к повышению стоимости установки. При этом станция имеет диапазон маневрирования, который ограничен объемом вырабатываемых в периоды минимума нагрузок водорода и кислорода, поэтому увеличение маневренных возможностей возможно только за счет соответствующего увеличения дорогостоящей системы хранения и производства водородного топлива.

Известна система безопасного использования водорода (см. патент РФ на изобретение № 2736603, МПК F01K 13/02 (2006.01), G21D 3/08 (2006.01) СПК F01K 13/02 (2020.08), G21D 3/08 (2020.08), опубл. 19.11.2020 г.) при повышении мощности двухконтурной АЭС выше номинальной, содержащая водород-кислородную камеру сгорания, соединенную с магистралями подачи водорода и кислорода и по питательной воде с подогревателями высокого давления. Система содержит дополнительный пароводяной подогреватель питательной воды, который соединен по питательной воде с подогревателями высокого давления и с парогенератором, а парогенератор соединен трубопроводами с реактором, а по пару с пароперегревателем, который соединен с паровой турбиной и с трубопроводом подачи пара, полученного от сжигания водорода в кислороде. Дополнительный пароводяной подогреватель питательной воды и пароперегреватель выполнены поверхностного типа, пароперегреватель содержит зону охлаждения и зону конденсации водяного пара, полученного от сжигания водорода с кислородом, а также зону каталитического дожигания непрореагировавшего водорода с кислородом поверхностного типа.

Недостатком известного способа является возникновение переменного расхода рабочего тела в основной ПТУ, что требует ее дорогостоящей модернизации и снижает надежность энергоблока АЭС. Кроме того, в аварийной ситуации с полным обесточиванием, основная ПТУ не сможет обеспечить электроснабжение собственных нужд. Отдельно стоящий узел для сжигания водорода в кислороде требует дополнительных затрат на обеспечение безопасности его эксплуатации, в связи с взрывоопасностью водорода. Это приводит к повышению стоимости установки. При этом станция имеет диапазон маневрирования, который ограничен объемом вырабатываемых в периоды минимума нагрузок водорода и кислорода, поэтому увеличение маневренных возможностей возможно только за счет соответствующего увеличения дорогостоящей системы хранения и производства водородного топлива. Значительная часть тепла от сгорания водородного топлива не используется для производства дополнительной энергии.

Наиболее близким аналогом является способ повышения маневренности и безопасности АЭС на основе теплового и химического аккумулирования (см. патент РФ на изобретение № 2640409, МПК G 21 D 01/00, G21D 05/08, G21D 03/08, опубл. 9.01.2018 г.) согласно которому производится аккумулирование на АЭС в ночные внепиковые часы невостребованной электрической энергии в виде водородного топлива и горячей воды, с последующей выработкой дополнительной электроэнергии в пиковые часы электрической нагрузки без изменения расхода рабочего тела через основную ПТУ, при этом в случае полного обесточивания станции, обеспечивается расхолаживание энергоблока за счет аккумулированной энергии и остаточного тепловыделения реакторной установки.

Недостатком известного способа является использование водород-кислородного парогенератора как отдельного агрегата, что влечет за собой необходимость принудительного охлаждения камеры сгорания балластированной водой, что снижает эффективность использования аккумулированной в виде водорода и кислорода энергии. Кроме того, отдельно стоящий узел для сжигания водорода в кислороде требует дополнительных затрат на обеспечение безопасности его эксплуатации, в связи с взрывоопасностью водорода. Это приводит к увеличению стоимости установки. Кроме того, впрыск воды в продукты сгорания приводит к значительному недожогу водородного топлива, что повышает вероятность возникновения взрывоопасной ситуации вследствие накопления продуктов недожога в цикле паротурбинной установки.

Задачей настоящего изобретения является повышение безопасности и технико-экономической эффективности работы АЭС в условиях неравномерного энергопотребления.

Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является аккумулирование на АЭС во внепиковые часы невостребованной электрической энергии в виде водородного топлива и горячей воды, с последующей выработкой дополнительной паровой турбиной в часы повышенной электрической нагрузки дополнительной электроэнергии за счет использования безопасного и эффективного способа сжигания водорода в кислороде без подмешивания балластировочной воды и без изменения расхода рабочего тела через основную ПТУ, при этом в случае полного обесточивания станции, обеспечивается расхолаживание энергоблока за счет остаточного тепловыделения реакторной установки и аккумулированной энергии, а отсутствие подмешивания балластировочной воды в продукты сгорания водорода в кислородной среде исключает значительной недожог водородного топлива.

Указанный технический результат достигается тем, что на АЭС, содержащей основную паротурбинную установку (ПТУ), парогенераторы (ПГ), первое, второе и третье устройства парораспределения, систему регенерации, электролизную установку для получения водорода и кислорода, водородные и кислородные ресиверы, водород-кислородный парогенератор, систему охлаждения продуктов сгорания, дополнительную ПТУ, бак горячей воды (БГВ), бак холодной воды (БХВ), систему поверхностных теплообменников с деаэратором, быстродействующее редукционное устройство (БРУ), при этом водород-кислородный парогенератор и система охлаждения продуктов сгорания встроены в БГВ, первое устройство парораспределения соединено со входом в основную ПТУ, ПГ, системой поверхностных теплообменников с деаэратором и вторым устройством парораспределения посредством паропроводов, второе парораспределительное устройство подключено к БГВ, к первому и третьему устройствам парораспределения, к конденсатору дополнительной ПТУ посредством паропроводов через БРУ, третье парораспределительное устройство подключено к системе охлаждения продуктов сгорания, ко второму устройству парораспределения, к дополнительной ПТУ, при этом водород-кислородный парогенератор соединен с водородными и кислородными ресиверами, БГВ соединен с системой поверхностных теплообменников с деаэратором посредством трубопровода, БХВ через конденсатный насос соединен с конденсатором дополнительной ПТУ и через насос холодной воды с системой поверхностных теплообменников с деаэратором посредством трубопроводов, система поверхностных теплообменников с деаэратором соединена с трактом питательной воды (ПВ) паросилового цикла основной ПТУ (после подогревателей высокого давления системы регенерации основной ПТУ), оборудование, входящее в состав водородного хозяйства выведено за территорию площадки АЭС, пар, получаемый в ПГ, согласно изобретения, во внепиковые часы электрической нагрузки после первого устройства парораспределения направляется в систему поверхностных теплообменников с деаэратором, где отдает тепло холодной воде, перекачиваемой из БХВ в БГВ, при этом, из первого устройства парораспределения через второе устройство парораспределения в БГВ, при необходимости подается свежий пар для создания в БГВ избыточного давления, достаточного для предотвращения испарения горячей воды в нем, по мере заполнения БГВ горячей водой вытесняемый из него пар направляется через второе и третье устройства парораспределения на дополнительную ПТУ, работающую на холостом ходу, в том числе, за счет небольшого отбора свежего пара из ПГ, после чего сконденсировавшийся в системе поверхностных теплообменников с деаэратором греющий пар направляется в тракт питательной воды после подогревателей высокого давления системы регенерации основной ПТУ, при этом часть электроэнергии, генерируемой основной ПТУ направляется на производство водорода с кислородом; в часы повышенной электрической нагрузки в водород-кислородном парогенераторе генерируется пар с использованием энергии от сжигания аккумулированного водородного топлива, полученный пар через систему охлаждения продуктов сгорания направляется в третье парораспределительное устройство, при этом горячая вода, накопленная в БГВ, нагревается и испаряется за счет тепла, отводимого от водород-кислородного парогенератора и системы охлаждения продуктов сгорания, при этом через запорно-регулирующую арматуру из БГВ начинает подаваться пар через второе парораспределительное устройство в третье, после смешения потоков пара из БГВ и водород-кислородного парогенератора в третьем парораспределительном устройстве полученный расход пара подается на дополнительную ПТУ для выработки электроэнергии в энергосистему; в случае полного обесточивания АЭС пар, генерируемый остаточным тепловыделением реактора, через первое, второе и третье устройства парораспределения направляется на дополнительную ПТУ, которая вырабатывает электроэнергию, необходимую для электроснабжения собственных нужд АЭС, при этом избыток генерируемого пара может быть направлен в БГВ или сброшен через БРУ в конденсатор дополнительной ПТУ; при недостатке пара, генерируемого остаточным тепловыделением, и наличии аккумулированной энергии в виде горячей воды и/или водорода, в БГВ за счет испарения горячей воды и/или в водород-кислородном парогенераторе за счет сгорания водорода в кислороде генерируется дополнительное количество пара, которое направляется на дополнительную ПТУ для выработки электроэнергии.

Сущность изобретения заключается в обеспечении надежного повышения технико-экономической эффективности и безопасности двухконтурной АЭС на основе теплового и водородного аккумулирования внепиковой электроэнергии в виде водородного топлива и горячей воды, которые могут использоваться для выработки электроэнергии в часы повышенной нагрузки и обеспечения, при полном обесточивании станции, резервного электроснабжения собственных нужд с использованием энергии остаточного тепловыделения реактора и аккумулированной энергии, при этом обеспечивается высокая безопасность и эффективность использования водородного топлива для производства электроэнергии.

Изобретение иллюстрируется чертежом (фиг. 1), где показана схема системы повышения безопасности и технико-экономической эффективности работы АЭС в условиях неравномерного энергопотребления на основе водородно-теплового аккумулирования. Позиции на чертеже обозначают следующее: 1, 3, 6 - первое, второе, третье устройство парораспределения, соответственно; 2, 4, 5, 7, 18 - задвижки; 8 - дополнительная ПТУ; 9 -электрический генератор; 10 - конденсатор; 11 - конденсатный насос; 12 - БХВ; 13 - насос холодной воды; 14 - система поверхностных теплообменников с деаэратором; 15 - система охлаждения продуктов сгорания; 16 - водород-кислородный парогенератор; 17 - БГВ; СПП -сепаратор-пароперегреватель; БРУ - быстродействующее редукционное устройство.

Работа осуществляется следующим способом. Во внепиковые часы электрической нагрузки часть пара из ПГ через первое устройство парораспределения 1 и открытую задвижку 18 направляется в систему поверхностных теплообменников с деаэратором 14, где отдает тепло холодной воде, перекачиваемой посредством насоса холодной воды 13 из БХВ 12 в БГВ 17. Дренаж греющего пара подается в тракт питательной воды паросилового цикла основной ПТУ после подогревателей высокого давления перед ПГ. ПТУ 8 посредством небольшого отбора свежего пара из ПГ энергоблока работает во внепиковые часы на холостом ходу для обеспечения возможности быстрого набора нагрузки электроснабжения собственных нужд при обесточивании АЭС. Для поддержания постоянного давления в БГВ 17 через устройство парораспределения 3 и задвижку 4 в него может подаваться свежий пар из ПГ. Далее при превышении допустимого давления в БГВ 17 в процессе его наполнения горячей водой через задвижку 4 осуществляется сброс пара, который, после смешения с потоком свежего пара во втором устройстве парораспределения 3, также направляется на дополнительную ПТУ 8. Одновременно с этим за счет электролиза воды происходит аккумулирование невостребованной электроэнергии в виде водорода и кислорода, которые при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов поступают в ресиверы.

В часы повышенной электрической нагрузки за счет сжигания аккумулированного водорода в водород-кислородном парогенераторе 16 образуются высокотемпературный пар, который подается в систему охлаждения продуктов сгорания 15, где отдает часть тепла горячей воде, находящейся в БГВ 17 в состоянии насыщения, что приводит к ее испарению и образованию водяного пара. Камера сгорания водород-кислородного парогенератора также охлаждается водой в БГВ 17. Испарение горячей воды, запасенной в БГВ 17, осуществляется до минимального уровня, обеспечивающего надежное охлаждение водород-кислородного парогенератора 16 и продуктов сгорания в системе охлаждения продуктов сгорания 15. В соответствие с этим условием определяется запасаемое количество водородного топлива. При этом за счет процессов рекомбинации при охлаждении образовавшегося высокотемпературного пара ниже температуры начала диссоциации доля диссоциированных продуктов сгорания снижается до минимального безопасного уровня. Задвижка 2 закрыта. Постоянство давления пара, образующегося в БГВ 17, обеспечивается задвижкой 7. Через задвижку 5 пар из системы охлаждения продуктов сгорания 15 подается в третье устройство парораспределения 6, где смешивается с паром, образовавшимся в БГВ 17. Полученный расход пара направляется на дополнительную ПТУ 8 для выработки электроэнергии в генераторе 9. Для снижения конечной влажности пара после его расширения в ПТУ 8 предусмотрена промежуточная сепарация пара с последующим двухступенчатым паровым перегревом (СПП) отсепарированного пара. Конденсат отработавшего пара после конденсатора 10 направляется в БХВ 12 посредством конденсатного насоса 11.

В случае аварии с полным обесточиванием АЭС пар, генерируемый остаточным тепловыделением реакторной установки, из ПГ через устройства парораспределения 1, 3, 6 направляется на дополнительную ПТУ 8, которая вырабатывает необходимую для электроснабжения собственных нужд АЭС электроэнергию. В процессе расхолаживания в первые часы после обесточивания образуется избыточное количество энергии остаточного тепловыделения, которое можно аккумулировать в виде водородного топлива или горячей воды и использовать в последующие часы при нехватке энергии остаточного тепловыделения. Избыток генерируемого в ПГ пара может быть сброшен через БРУ в конденсатор 10 дополнительной ПТУ 8. В случае недостатка пара, генерируемого остаточным тепловыделением (в том числе при разгерметизации первого контура), вырабатывается дополнительное количество пара за счет аккумулированной энергии: посредством испарения воды в БГВ 17 и сжигания водородного топлива в водород-кислородном парогенераторе 16.

Отличительным признаком способа повышения безопасности и технико-экономической эффективности работы АЭС в условиях неравномерного энергопотребления является тепловое и химическое аккумулирование во внепиковые часы невостребованной электрической энергии в виде водородного топлива и горячей воды, с последующей выработкой дополнительной электроэнергии в часы повышенной электрической нагрузки без изменения расхода рабочего тела через основную ПТУ, при этом водород-кислородный парогенератор погружен в водяной объем бака горячей воды, что значительно повышает безопасность его эксплуатации и обеспечивает его эффективное охлаждение, а наличие системы охлаждения продуктов сгорания и отсутствие смешения воды и продуктов сгорания обеспечивает допустимый уровень недожога водородного топлива; в случае полного обесточивания АЭС обеспечивается штатное расхолаживание энергоблока за счет остаточного тепловыделения реакторной установки и аккумулированной энергии.

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования на атомных электрических станциях с водоохлаждаемыми реакторами. В способе повышения безопасности и технико-экономической эффективности работы АЭС основными отличиями являются тепловое и химическое аккумулирование во внепиковые часы невостребованной электрической энергии в виде водородного топлива и горячей воды, с последующей выработкой дополнительной электроэнергии в часы повышенной электрической нагрузки без изменения расхода рабочего тела через основную паротурбинную установку. При этом водород-кислородный парогенератор погружен в водяной объем бака горячей воды. Есть системы охлаждения продуктов сгорания, и отсутствует – смешения воды и продуктов сгорания. Изобретение позволяет аккумулировать на АЭС во внепиковые часы невостребованную электрическую энергию в виде водородного топлива и горячей воды, с последующей выработкой дополнительной паровой турбиной в часы повышенной электрической нагрузки дополнительной электроэнергии. 1 ил.

Способ повышения безопасности и технико-экономической эффективности работы АЭС в условиях неравномерного энергопотребления на основе водородно-теплового аккумулирования, содержащей основную паротурбинную установку (ПТУ), парогенераторы (ПГ), первое, второе и третье устройства парораспределения, систему регенерации, электролизную установку для получения водорода и кислорода, водородные и кислородные ресиверы, водород-кислородный парогенератор, систему охлаждения продуктов сгорания, дополнительную ПТУ, бак горячей воды (БГВ), бак холодной воды (БХВ), систему поверхностных теплообменников с деаэратором, быстродействующее редукционное устройство (БРУ), при этом водород-кислородный парогенератор и система охлаждения продуктов сгорания встроены в БГВ, первое устройство парораспределения соединено со входом в основную ПТУ, ПГ, системой поверхностных теплообменников с деаэратором и вторым устройством парораспределения посредством паропроводов, второе парораспределительное устройство подключено к БГВ, к первому и третьему устройствам парораспределения, к конденсатору дополнительной ПТУ посредством паропроводов через БРУ, третье парораспределительное устройство подключено к системе охлаждения продуктов сгорания, ко второму устройству парораспределения, к дополнительной ПТУ, при этом водород-кислородный парогенератор соединен с водородными и кислородными ресиверами, БГВ соединен с системой поверхностных теплообменников с деаэратором посредством трубопровода, БХВ через конденсатный насос соединен с конденсатором дополнительной ПТУ и через насос холодной воды с системой поверхностных теплообменников с деаэратором посредством трубопроводов, система поверхностных теплообменников с деаэратором соединена с трактом питательной воды (ПВ) паросилового цикла основной ПТУ (после подогревателей высокого давления системы регенерации основной ПТУ), оборудование, входящее в состав водородного хозяйства, выведено за территорию площадки АЭС, отличающийся тем, что пар, получаемый в ПГ, во внепиковые часы электрической нагрузки после первого устройства парораспределения направляется в систему поверхностных теплообменников с деаэратором, где отдает тепло холодной воде, перекачиваемой из БХВ в БГВ, при этом из первого устройства парораспределения через второе устройство парораспределения в БГВ, при необходимости, подается свежий пар для создания в БГВ избыточного давления, достаточного для предотвращения испарения горячей воды в нем, по мере заполнения БГВ горячей водой вытесняемый из него пар направляется через второе и третье устройства парораспределения на дополнительную ПТУ, работающую на холостом ходу, в том числе за счет небольшого отбора свежего пара из ПГ, после чего сконденсировавшийся в системе поверхностных теплообменников с деаэратором греющий пар направляется в тракт питательной воды после подогревателей высокого давления системы регенерации основной ПТУ, при этом часть электроэнергии, генерируемой основной ПТУ, направляется на производство водорода с кислородом; в часы повышенной электрической нагрузки в водород-кислородном парогенераторе генерируется пар с использованием энергии от сжигания аккумулированного водородного топлива, полученный пар через систему охлаждения продуктов сгорания направляется в третье парораспределительное устройство, при этом горячая вода, накопленная в БГВ, нагревается и испаряется за счет тепла, отводимого от водород-кислородного парогенератора и системы охлаждения продуктов сгорания, при этом через запорно-регулирующую арматуру из БГВ начинает подаваться пар через второе парораспределительное устройство в третье, после смешения потоков пара из БГВ и водород-кислородного парогенератора в третьем парораспределительном устройстве полученный пар подается на дополнительную ПТУ для выработки электроэнергии в энергосистему; в случае полного обесточивания АЭС пар, генерируемый остаточным тепловыделением реактора, через первое, второе и третье устройства парораспределения направляется на дополнительную ПТУ, которая вырабатывает электроэнергию, необходимую для электроснабжения собственных нужд АЭС, при этом избыток генерируемого пара может быть направлен в БГВ или сброшен через БРУ в конденсатор дополнительной ПТУ; при недостатке пара, генерируемого остаточным тепловыделением, и наличии аккумулированной энергии в виде горячей воды и/или водорода в БГВ за счет испарения горячей воды и/или в водород-кислородном парогенераторе за счет сгорания водорода в кислороде генерируется дополнительное количество пара, которое направляется на дополнительную ПТУ для выработки электроэнергии.