Криогенная система ожижения водорода, получаемого преимущественно на АЭС Российский патент 2022 года по МПК F25J1/02 

Изобретение относится к криогенной технике и широко может быть использовано для получения и хранения больших количеств жидкого водорода в составе как действующих атомных энергетических станций (АЭС) с водо-водяными энергетическими реакторами типа ВВЭР и парогенератором ППГи реакторах на быстрых нейтронах типа БН с парогенератором ПГН, а также перспективных АЭС, базирующихся на высокотемпературных газоохладительных реакторах (ВТГР).

Известна криогенная система ожижения водорода, состоящая из установки получения продукционного (ожижаемого) водорода в составе компрессора, блока азотного охлаждения, блока ожижения в составе двух теплообменников, трех конверторов параводорода, ванны с жидким водородом и установки с водородно-пропановым циклом в составе турбокомпрессоров, оборудования конденсации и отделения пропана из смеси, азотной ванны, двух теплообменников и двух турбодетандеров. (см. Криогенные системы. А.М. Архаров, В.П. Беляков. Москва, Машиностроение, 1987 г, стр. 382-387, рис. 5-18) Несмотря на то, что в установке с водородно-пропановым циклом удалось выполнить компримирование водорода с помощью более надежных в работе турбокомпрессоров, ее отличает:

- повышенная взрыво-пожароопасность;

- необходимость постоянного контроля и поддержания состава газовой смеси;

- сложность регулирования холодопроизводительности, а также высокая степень капитальных и эксплуатационных затрат.

Известна криогенная система ожижения водорода, состоящая из установки получения продукционного водорода в составе компрессора высокого давления, блоков очистки от масла и влаги, блока азотного охлаждения, рекуперативных теплообменников, двух ванн с жидким водородом, четырех конверторов параводорода, и водородной установки для охлаждения и ожижения продукционного потока, выполненной по циклу двух давлений, в составе двух компрессоров, блоков предварительного азотного охлаждения, рекуперативного теплообменника и турбодетандера. (см. Криогенные системы, Т. 2.. А.М. Архаров и др. Москва, Машиностроение, 1987 г, стр. 168-170, рис. 2.17 и рис. 2.18).

Основными недостатками указанной системы являются: достижение высокой термодинамической эффективности за счет сложного цикла с пятью ступенями охлаждения;

- сложная многоступенчатая система очистки от масла и воды;

- неэффективная система регулирования холодопроизводительности;

- большие капитальные и эксплуатационные затраты, обусловленные необходимостью применения сложного компрессорного оборудования.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является криогенная система ожижения водорода, состоящая из установки ожижения водорода, выполненной в виде дожимающего продукционный поток водорода компрессора, блока азотного охлаждения, снабженного первой холодильной установкой, блока ожижения водорода в составе рекуперативных теплообменников, трех адиабатных конверторов параводорода и двух дроссельных вентилей, один из которых установлен на линии выдачи жидкого водорода в хранилище жидкого водорода, и гелиевой холодильной установки в составе компрессора, сжимающего гелий от давления обратного потока до рабочего давления, блока предварительного азотного охлаждения, снабженного второй холодильной установкой, гелиевого блока охлаждения, состоящего из четырех последовательных рекуперативных теплообменников и трех турбодетандеров, первый и второй из которых установлены последовательно, а также трубопроводов подачи гелия в блок ожижения водорода после второго и третьего турбодетандеров и трех трубопроводов возврата гелия из блока ожижения водорода в гелиевый блок охлаждения (см. патент РФ 2309342).

Несмотря на высокую термодинамическую эффективность системы ожижения водорода она обладает рядом существенных недостатков:

- низким уровнем надежности, обусловленным применением традиционного поршневого или винтового компрессорного оборудования, имеющего большое количество отказов при работе;

- большими капитальными и эксплуатационными затратами, особенно при создании систем ожижения водорода большой производительности, требующих целого парка компрессоров, сложных и дорогостоящих систем очистки от масла.

Решаемая задача - повышение надежности и эффективности криогенной системы в широком диапазоне регулирования холодопроизводительности получения переохлажденного жидкого параводорода с обеспечением длительных сроков бездренажного хранения, снижение капитальных и эксплуатационных затрат при максимальном использовании возможностей АЭС, особенно в режимах безпиковых нагрузок и обеспечения взрыво-пожаробезопасности.

Указанный технический результат достигается тем, что в криогенной системе ожижения водорода, состоящей из установки ожижения водорода, выполненной в виде дожимающего продукционный поток водорода компрессора, блока азотного охлаждения, снабженного первой холодильной установкой, блока ожижения водорода в виде пяти рекуперативных теплообменников, трех адиабатных конверторов пароводорода и двух дроссельных вентилей, один из которых установлен на линии выдачи жидкого водорода в хранилище жидкого водорода, и гелиевой холодильной установки в составе компрессора, сжимающего гелий от давления обратного потока до рабочего давления, блока предварительного азотного охлаждения, снабженного второй холодильной установкой, гелиевого блока охлаждения, состоящего из четырех последовательных рекуперативных теплообменников и трех турбодетандеров, первый и второй из которых установлены последовательно, а также трубопроводов подачи гелия в блок ожижения водорода после второго и третьего турбодетандеров и трех трубопроводов возврата гелия из блока ожижения водорода в гелиевый блок охлаждения в установке ожижения водорода перед дожимающим компрессором для предварительного сжатия продукционного потока водорода установлен многоступенчатый пароэжекторный агрегат, выполненный в виде последовательно включенных эжекторных ступеней в составе эжектора, водяного холодильника и сепаратора с клапаном в каждой ступени, а также коллектора подачи пара, коллектора подачи холодной воды в водяные холодильники, коллектора отвода нагретой воды из водяных холодильников и коллектора отвода воды из сепараторов, при этом все эжекторные ступени параллельно подключены к коллектору подачи пара, первая эжекторная ступень - к водородному газгольдеру, на котором установлен датчик положения колокола, соединенному с источником получения газообразного водорода, а концевая эжекторная ступень - к дожимающему компрессору, который выполнен без смазки и через регулирующий клапан соединен с газгольдером, а через расходомер - с блоком азотного охлаждения, в котором после первой холодильной установки последовательно установлены сепаратор и блок адсорбционный осушки, и кроме того, установка оснащена блоком переохлаждения жидкого водорода, выполненным в виде криогенной емкости с теплообменником, размещенным внутри емкости и подсоединенным к линии выдачи жидкого водорода с дроссельным вентилем после блока ожижения водорода, и эжекторной ступени для откачки паров водорода из емкости в составе эжектора, водяного холодильника и сепаратора, при этом эжекторная ступень также подключена к коллектору подачи пара и газгольдеру, а в гелиевой холодильной установке для сжатия газообразного гелия от давления обратного потока до рабочего давления установлен многоступенчатый пароэжекторный агрегат, выполненный в виде последовательно включенных эжекторных ступеней в составе эжектора, водяного холодильника и сепаратора с клапаном в каждой ступени, при этом водяные холодильники подключены к коллектору подачи холодной воды и к коллектору отвода горячей воды, сепараторы - к коллектору отвода воды, а эжекторы - к коллектору подачи пара, при этом его первая эжекторная ступень через ресивер низкого давления и концевая эжекторная ступень через ресивер высокого давления соединены с блоком предварительного азотного охлаждения, в котором после второй холодильной установки последовательно установлены сепаратор и блок адсорбционный осушки, а в гелиевом блоке охлаждения выполнены два имитатора тепловой нагрузки, один из которых соединен с выходом из третьего детандера и выходом обратного потока из четвертого теплообменника, а второй соединен с выходом после второго детандера и также с выходом обратного потока из четвертого теплообменника, при этом на входе каждого имитатора тепловой нагрузки установлен клапан, а на выходе - датчик температуры, а на трубопроводах подачи гелия в блок ожижения водорода после второго и третьего турбодетандеров, а также на входе обратного потока в четвертый теплообменник после второго турбодетандера установлены регулирующие клапаны, и кроме того, криогенная система снабжена линией подачи пара от парогенератора, соединенной через клапаны с коллекторами подачи пара обоих пароэжекторных агрегатов, насосным агрегатом возврата воды из сепараторов тех же пароэжекторных агрегатов в парогенератор и автономной установкой водяного охлаждения водяных холодильников, выполненной в виде резервуара для воды, циркуляционного насоса, соединенного с коллекторами подачи холодной воды в водяные холодильники, и двух теплообменников для охлаждения воды, подключенных к коллекторам отвода нагретой воды из водяных холодильников пароэжекторных агрегатов.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию НОВИЗНА. На чертеже, фиг. 1, дана принципиальная схема криогенной системы ожижения водорода, поясняющая сущность предлагаемого технического решения, на которой отражен состав технологического оборудования, исходя из того, что для безмашинного компримирования гелия от давления 0,3-0,35 МПа до рабочего давления 2,5 МПа в гелиевом холодильном цикле и безмашинного компримирования продукционного потока водорода от давления 0,05МПа до давления 1,4-1,6 МПа используется насыщенный пар с давлением 13,5-14.0 МПа и температурой от 500°С до 540°С, который получают, например, во втором контуре в реакторах на быстрых нейтронах типа БН от парогенератора типа ПГН - 200М. В зависимости от теплофизических параметров насыщенного пара будет меняться количество пароэжекторных ступеней и достигаемая степень сжатия водорода и гелия в пароэжекторных агрегатах на выходе активного потока и уровень вакуума в емкости, создаваемый при откачке паров водорода в пассивном потоке.

Для наглядности и четкости принципиальная схема криогенной системы ожижения водорода, фиг. 1, выполнена на двух листах.

Криогенная система ожижения водорода, включает установку ожижения водорода и гелиевую холодильную установку. Установка ожижения водорода состоит из пароэжекторного агрегата, выполненного, например, в виде пяти последовательно включенных эжекторных ступеней 1…5 в составе эжектора 6, водяного холодильника 7 и сепаратора 8 с клапаном 9 в каждой ступени, при этом водяные холодильники 7 подключены к коллектору 10 подачи холодной воды и к коллектору 11 отвода горячей воды, сепараторы 8 -к коллектору 12 отвода воды, а эжекторы 6 - к коллектору 13 подачи пара, кроме того эжектор 6 первой эжекторной ступени 1 трубопроводом 14 подключен к водородному газгольдеру 15, соединенному трубопроводом 16 с источником получения газообразного водорода, например, с электролизером АЭС (на чертеже не показан), а сепаратор 8 пятой эжекторной ступени 5 трубопроводом 17 подключен к дожимающему компрессору 18, выполненному без смазки, и который с помощью регулирующего клапана 19 и трубопровода 20 подсоединен к водородному газгольдеру 15, а трубопроводом 21 к расходомеру 22, установленному на входе в блок азотного охлаждения 23, который включает рекуперативный теплообменник 24, холодильную установку 25, сепаратор 26, блок адсорбиционный осушки 27, рекуперативный теплообменник 28, азотную ванну 29 с изотермическим конвертором 30, и соединен с блоком ожижения водорода 31, выполненным в виде пяти, например, рекуперативных теплообменников 32…36 и трех адиабатных конверторов 37, 38, 39, дроссельного вентиля 40 и датчика давления 41, установленных после второго адиабатного конвертора 38, датчика давления 43 и дроссельного вентиля 42, установленных на линии 44 выдачи жидкого водорода после последнего рекуперативного теплообменника 36 для обеспечения длительного бездренажного хранения. Установка оснащена блоком переохлаждения жидкого водорода, выполненным в виде криогенной емкости 45 с теплообменником 46, размещенным внутри емкости 45, клапана 47, подсоединенных к линии 44 выдачи жидкого водорода с дроссельным вентилем 42, и эжекторной ступени 48 для откачки паров водорода из емкости 45 в составе эжектора 49, водяного холодильника 50 и сепаратора 51 с клапаном 52, при этом сепаратор 51 трубопроводом 53 подсоединен к водородному газгольдеру 15, а линии подсоединения эжектора 49 к коллектору 13 подачи пара, водяного холодильника 50 к коллекторам 10 и 11, сепаратора 51 с клапаном 52 к коллектору 12 на чертеже условно не показаны. Гелиевая холодильная установка, входящая в состав криогенной системы ожижения водорода, включает пароэжекторный агрегат, выполненный в виде, например, трех последовательно включенных эжекторных ступеней 54, 55, 56 в составе эжектора 57, водяного холодильника 58 и сепаратора 59 с клапаном 60 в каждой ступени, при этом водяные холодильники 58 подключены к коллектору 61 подачи холодной воды и к коллектору 62 отвода горячей воды, сепараторы 59- к коллектору 63 отвода воды, а эжекторы 57- к коллектору 64 подачи пара, при этом эжектор 57 первой эжекторной ступени 54 трубопроводом 65 подсоединен к ресиверу 66 низкого давления, а сепаратор 59 третьей эжекторной ступени 56 трубопроводом 67 подсоединен к ресиверу 68 высокого давления. Ресивер 66 низкого давления и ресивер 68 высокого давления в свою очередь подключены к блоку предварительного азотного охлаждения 69, включающему рекуперативный теплообменник 70, вторую холодильную установку 71, сепаратор 72, блок адсорбиционный осушки 73, рекуперативный теплообменник 74, азотную ванну 75 с теплообменником 76. Блок предварительного азотного охлаждения 69 подключен к гелиевому блоку охлаждения 77, состоящему из четырех рекуперативных теплообменников 78…81, первого и второго последовательно установленных турбодетандеров 82, 83 и третьего турбодетандера 84, а также трубопровода 85 подачи потока гелия после третьего турбодетандера 84 в концевой теплообменник 36 блока ожижения водорода 31, трубопровода 86 подачи части потока гелия после второго турбодетандера 83 в теплообменник 34 блока ожижения водорода 31, трех 87…89 трубопроводов возврата потоков гелия из блока ожижения водорода 31 в гелиевый блок охлаждения 77 и двух имитаторов тепловой нагрузки 90 и 91, один из которых 90 соединен с выходом из третьего турбодетандера 84 и выходом обратного потока из четвертого теплообменника 81, а второй 91 соединен с выходом из второго турбодетандера 83 и выходом обратного потока из четвертого теплообменника 81, при этом на трубопроводах 85 и 86, а также на входе обратного потока в четвертый теплообменник 81 установлены регулирующие клапаны 92, 93, 94, на входе каждого имитатора тепловой нагрузки 90 и 91 установлены клапаны 95, 96, на выходе - датчики температуры 97 и 98, а кроме того криогенная система ожижения водорода снабжена автономной установкой водяного охлаждения в составе резервуара 99, циркуляционного насоса 100, подключенного к коллектору 61 и к коллектору 10 подачи холодной воды в водяные холодильники 58 и 7, теплообменника 101 для охлаждения воды, соединенного с коллектором 62 отвода горячей воды из водяных холодильников 58, и теплообменника 102 для охлаждения воды, соединенного с коллектором 11 отвода горячей воды из водяных холодильников 7, насосным агрегатом в составе бака 103, подключенного трубопроводом 104 к коллектору 63 отвода воды из сепараторов 59, и трубопроводом 105 - к коллектору 12 отвода воды из сепараторов 8, насоса 106, обратного клапана 107 и трубопровода 108 возврата воды в парогенератор. В состав криогенной системы ожижения водорода входит хранилище жидкого водорода 109, соединенное трубопроводом 110 с теплообменником 46 блока переохлаждения водорода. Подвод пара от парогенератора (на чертеже не показан) осуществляется по трубопроводу 111 через клапаны 112 и 113, при этом клапан 112 подключен к коллектору 64 подачи пара в эжекторные ступени 54…56 гелиевой холодильной установки, а клапан 113 - к коллектору 13 подачи пара в эжекторные ступени 1…5 установки ожижения водорода.

Криогенная система ожижения водорода работает следующим образом.

В установившимся режиме при номинальной максимальной производительности электролизеров в периоды без пиковой нагрузки АЭС. Газообразный продукционный водород подается в газгольдер 15 по трубопроводу 16. Из газгольдера 15 водород по трубопроводу 14 поступает в пятиступенчатый пароэжекторный агрегат для предварительного сжатия за счет энергии насыщенного пара давлением 13,5-14.0 МПа и температурой 500°С-540°С, который подается от парогенератора, входящего в состав АЭС, по трубопроводу 111 через клапан 113 в коллектор 13 подачи пара пароэжекторного агрегата. Из коллектора 13 поток пара поступает на эжекторы 5 эжекторных ступеней 1…5 с одинаковыми параметрами, в то время как давление водорода от ступени к ступени повышается от газгольдерного давления 0,05 МПа до 1,4-1,6 МПа после эжекторной ступени 5. После эжектора 6 в каждой эжекторной ступени сжатая смесь пара и водорода последовательно проходит, водяной холодильник 7 и сепаратор 8, в которых происходит конденсация и отделение воды из смеси. Из сепаратора 8 эжекторной ступени 5 водород с давлением 1,4-1,6 МПа по трубопроводу 17 поступает в дожимающий компрессор 18, выполненный без смазки, где давление водорода повышается до 5,0 МПа. После дожимающего компрессора 18 по трубопроводу 21 через расходомер 22 продукционный поток водорода поступает в блок азотного охлаждения 23, где предварительно охлаждается от 300К до 280К в рекуперативном теплообменнике 24 за счет холода отходящих паров азота, затем от 280К до 273К с помощью первой холодильной установки 25, после чего проходит сепаратор 26 и блок адсорбционной осушки 27, в которых происходит удаление капель влаги и паров воды. Охлаждение водорода от 273К до 80К осуществляется за счет отходящих паров азота в рекуперативном теплообменнике 28 и жидкого азота в азотной ванне 29, где содержание параводорода в изотермическом конверторе 30 увеличивается с 25% до 55%. Далее поток параводорода поступает в блок ожижения водорода 31, где последовательно проходит рекуперативные теплообменники 32…35 и два адиабатных конвертора 37 и 38, в которых водород охлаждается за счет потока газообразного гелия до 25К, при этом содержание параводорода повышается до 93% - 95%. После конвертора 38 давление водорода с помощью дроссельного вентиля 40 снижается с 5, 0 МПа до 1,2 МПа, и он за счет потока газообразного гелия с температурой 18К-20К охлаждается и сжижается в рекуперативных теплообменниках 35 и 36, при этом значение параводорода после прохождения конвертора 39 составляет 98%. Далее давление потока параводорода с помощью дроссельного вентиля 42 понижается с 1,2МПа до 0,05 - ОДМПа и он по трубопроводу 44 в жидком виде выводится в блок переохлаждения жидкого параводорода, при этом часть потока с помощью клапана 47 отводится в криогенную емкость 45, а оставшийся поток жидкого параводорода проходит теплообменник 46 и охлаждается от 20К - 22К до 16К- 17К за счет жидкого водорода, кипящего в криогенной емкости 45 под вакуумом, и по трубопроводу 110 поступает в хранилище жидкого водорода 109. Откачка паров параводорода из криогенной емкости 45 выполняется с помощью эжекторной ступени 48 за счет энергии насыщенного пара, подаваемого от коллектора 13 в эжектор 49 эжекторной ступени 48(на чертеже линия связи условно не показана). После эжектора 49 сжатая смесь пара и водорода последовательно проходит водяной холодильник 50 и сепаратор 51, в которых происходит конденсация и отделение воды из смеси. Из сепаратора 51 водород по трубопроводу 53 возвращается в газгольдер 15, а вода из сепаратора 51 по мере ее накопления с помощью клапана 52 отводится в автономную установку водяного охлаждения (линия связи условно не показана). Охлаждение, ожижение и превращение водорода в параводород в диапазоне температур от 80 К до 20 К осуществляется за счет гелия, требуемый холод которого создается в гелиевой холодильной установке, при этом сжатие гелия с давления 0,35 МПа до 2,5 МПа происходит в трехступенчатом пароэжекторном агрегате также за счет энергии насыщенного пара с давлением 13,5-14.0 МПа и температурой 500°-540°С, который подается по трубопроводу 111 через клапан 112 в коллектор 64 подачи пара в пароэжекторный агрегат. Из коллектора 64 поток пара поступает на эжекторы 57 эжекторных ступеней 54…56 с одинаковыми параметрами, в то время как давление гелия от ступени к ступени повышается от 0,35 МПа до 2,5 МПа после эжекторной ступени 56. После эжектора 57 в каждой эжекторной ступени сжатая смесь пара и гелия последовательно проходит, водяной холодильник 58 и сепаратор 59, в которых происходит конденсация и отделение воды из смеси. Из сепаратора 59 эжекторной ступени 56 гелий с давлением 2,5 МПа по трубопроводу 67 поступает в ресивер 68 и далее в блок предварительного азотного охлаждения 69, где он охлаждается от 300К до 280К в рекуперативном теплообменнике 70 за счет холода отходящих паров азота, затем от 280К до 273К с помощью второй холодильной установки 71, после чего проходит сепаратор 72 и блок адсорбционной осушки73, в которых происходит удаление капель влаги и паров воды. Охлаждение водорода от 273К до 80К осуществляется за счет холода обратного потока гелия, отходящих паров азота в рекуперативном теплообменнике 74 и в теплообменнике 76 за счет жидкого азота в азотной ванне 75. Далее гелий с температурой 80К и давлением 2,5 МПа поступает в гелиевый блок охлаждения 77, где после рекуперативного теплообменника 78 от 65% до 70% от потока гелия расширяется в первом и втором последовательно установленных турбодетандерах 82 и 83 с давления 2,5 МПа до 0,35 МПа с понижением температуры до 28К - 30К, при этом часть потока гелия отводят через регулирующий клапан 93 по трубопроводу 86 в блок ожижения водорода 31,а другая часть расширившегося потока через регулирующий клапан 94 поступает в теплообменники 81…78. После отбора сжатого потока гелия на два последовательно установленных турбодетандерах 82 и 83, другая часть сжатого гелия после охлаждения в рекуперативных теплообменниках 79…81 поступает в третий турбодетандер 84, где расширяется с давления 2,5 МПа до 0,35 МПа с понижением температуры до 18К -20К, и отводится через регулирующий клапан 92 по трубопроводу 85 в теплообменник 36 блока ожижения водорода 31. Отдав холод продукционному потоку водорода давлением 1,0 МПа - 1,2 МПа в теплообменниках 36 и 35 поток гелия нагревается до 28К - 30 К и соединяется с потоком гелия, отведенным от второго турбодетандера 83 по трубопроводу 86. Далее гелий нагревается в теплообменниках 34, 33, 32 до температуры 78 К, при этом при температуре 43 К - 45 К, часть потока гелия после теплообменника 34 по трубопроводу 87 возвращается в обратный поток теплообменника 80 гелиевого блока охлаждения 77, еще часть потока гелия после теплообменника 33 по трубопроводу 88 возвращается в обратный поток теплообменника 79 гелиевого блока охлаждения 77, а оставшийся поток гелия после теплообменника 32 по трубопроводу 89 возвращается в обратный поток после теплообменника 78 гелиевого блока охлаждения 77. Из гелиевого блока охлаждения 77 обратный поток, равный по величине сжатому потоку гелия, с давлением 0,35 МПа и температурой 78 К поступает в блок предварительного азотного охлаждения 69, где отдает свой холод и нагревается до 290 К, после чего поступает в ресивер 66 и по трубопроводу 65 в эжекторную ступень 54 для дальнейшего сжатия до 2,5 МПа в пароэжекторном агрегате. Охлаждение и конденсация пара в водяных холодильниках 58 и 7 осуществляется от автономной установки водяного охлаждения с помощью циркуляционного насоса 100, подключенного к коллектору 61 и к коллектору 10 подачи холодной воды в водяные холодильники 58 и 7. После водяных холодильников 58 и 7 нагретая вода поступает из коллекторов 62 и 11 соответственно в теплообменники 101 и 102 для охлаждения, из которых возвращается в резервуар 99 для воды, соединенный с циркуляционным насосом 100. Вода, которая накапливается в сепараторах 59 и 8, периодически отводится с помощью клапанов 60 и 9 в бак 103, подключенный трубопроводом 104 к коллектору 63 и трубопроводом 105 к коллектору 12. Из бака 103 вода с помощью насоса 106 через обратный клапан 107 по трубопроводу 108 возвращается в парогенератор.

Установившийся режим работы криогенной системы ожижения водорода определяют следующие основные технологические параметры и положения оборудования:

- расход продукционного потока водорода, контролируемый по расходомеру 22, равен по величине номинальному расходу;

- давление водорода перед дроссельным вентилем 40, контролируемое по датчику 41, равно 5,0 МПа;

- давление водорода перед концевым дроссельным вентилем 42, контролируемое по датчику 43, равно 1,0-1,2 МПа;

- стабильные температурные параметры охлаждения и ожижения водорода поддерживаются с помощью гелиевого блока охлаждения 77, при этом регулирующие клапаны 92, 93, 94 полностью открыты, клапаны 95, 96 закрыты, а имитаторы тепловой нагрузки 90 и 91 отключены;

- регулирующий клапан 19 закрыт, а колокол газгольдера 15 находится в стабильном положении.

В процессе работы криогенной системы расход продукционного водорода, подаваемый от источника его получения, например, во время пиковых нагрузок АЭС, по ряду причин может быть меньше значения номинального расхода. В этом случае работа криогенной системы ожижения водорода перестраивается таким образом, чтобы сохранить технологические параметры системы, характерные для номинального режима ее работы. Индикатором снижения расхода водорода от источника его получения является положение колокола газгольдера 15. При снижении колокола газгольдера 15 система автоматического управления (САУ) получает сигнал отдатчика контроля положения колокола газгольдера 15 (датчик на чертеже не показан) и выдает команду на открытие регулирующего клапана 19 на величину, обеспечивающую стабилизацию соответствующего положения колокола газгольдера 15 за счет отбора части расхода водорода после дожимающего компрессора 18, который затем поступает по трубопроводу 20 в газгольдер 15. При этом одновременно происходит отработка положения дроссельного вентиля 40 для поддержания давления 5,0 МПа, контролируемого по датчику 41, и дроссельного вентиля 42, для поддержания давления 1,0-1,2 МПа, контролируемого по датчику 43. Понятно, что байпасирование через регулирующий клапан 19 части расхода водорода после дожимающего компрессора 18 с одной стороны обеспечивает устойчивое положение колокола газгольдера 15 и сохраняет стабильным режим работы пароэжекторного агрегата, но с другой стороны снижает расход продукционного потока водорода, контролируемого по расходомеру 22, что приведет к разбалансировке расходов в рекуперативных теплообменниках 32…36 между продукционным потоком водорода и гелиевыми потоками и, как следствие, к нарушению температурного режима охлаждения и ожижения водорода. В этом случае САУ для сохранения оптимального режима охлаждения и ожижения водорода производит корректировку режима работы гелиевого блока охлаждения 77, которая заключается в уменьшении на требуемую величину расходов гелия, подаваемых в блок ожижения водорода 31, после второго турбодетандера 83 и третьего турбодетандера 84 и перенаправления этих расходов с помощью регулирующих клапанов 92, 93, 94 соответственно в имитаторы тепловой нагрузки 90 и 91 через открытые в этом случае клапаны 95, 96. В имитаторах тепловой нагрузки 90 и 91 осуществляется подогрев потоков до температуры, равной температуре обратного потока гелия после рекуперативного теплообменника 81, и последующее соединение этих потоков с обратным потоком гелия после рекуперативного теплообменника 81. Регулирование тепловой мощности имитаторов тепловой нагрузки 90 и 91 осуществляется по сигналам от датчиков температуры 97 и 98. Таким образом, в результате удается сохранить стабильность температурного режима работы криогенной системы ожижения водорода без снижения ее термодинамической эффективности. В том случае, если расход водорода, поступающего от источника его производства в газгольдер 15, восстановится до номинального значения, то алгоритм возврата криогенной системы ожижения водорода к исходному режиму работы будет происходить в обратном порядке.

Проведенные оценочные расчеты показали, что капитальные и эксплуатационные затраты при использовании для сжатия и вакуумирования водорода и сжатия гелия с помощью пароэжекторных агрегатов будет обходиться в 1,5-2.0 раза дешевле, а пожаро- и взрывобезопасность значительно возрастет по сравнению с вариантом применения традиционных компрессорных агрегатов. Таким образом, предложенные технические решения позволяют выполнить поставленные цели:

- снизить капитальные и эксплуатационные затраты при создании и работе ожижителей водорода на АЭС;

- обеспечить глубокое регулирование производительности ожижителя, что для специфических условий работы АЭС, с одной стороны, дает возможность в полной мере задействовать освобождающиеся в период без пиковых нагрузок энергетические компоненты АЭС(пар и электроэнергию), чем повышают КПД системы (АЭС-ожижитель) в целом, с другой стороны в период пиковых нагрузок АЭС, обеспечить безостановочную работу криогенной системы с пониженной производительностью, готовую в любой момент выйти на максимальную производительность;

- создать условия для увеличения сроков бездренажного хранения жидкого параводорода за счет его переохлаждения.

Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решении дает основание считать, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» И «ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНЯЕМОСТЬ».

Изобретение относится к криогенной технике, может быть использовано для получения и хранения многотоннажного жидкого водорода. Криогенная система ожижения водорода состоит из установки ожижения водорода, выполненной в виде дожимающего продукционный поток водорода компрессора, блока азотного охлаждения, блока ожижения водорода в виде пяти рекуперативных теплообменников, трех адиабатных конверторов пароводорода и двух дроссельных вентилей, один из которых установлен на линии выдачи жидкого водорода в хранилище жидкого водорода, и гелиевой холодильной установки в составе компрессора, блока предварительного азотного охлаждения, гелиевого блока охлаждения. В установке ожижения водорода перед дожимающим компрессором установлен многоступенчатый пароэжекторный агрегат. Все эжекторные ступени параллельно подключены к коллектору подачи пара, первая эжекторная ступень - к водородному газгольдеру, соединенному с источником получения газообразного водорода, а концевая эжекторная ступень - к дожимающему компрессору, который выполнен без смазки и через регулирующий клапан соединен с газгольдером, а через расходомер - с блоком азотного охлаждения. Установка оснащена блоком переохлаждения жидкого водорода, выполненным в виде криогенной емкости с теплообменником, размещенным внутри емкости и подсоединенным к линии выдачи жидкого водорода. В гелиевой холодильной установке установлен второй многоступенчатый пароэжекторный агрегат. Изобретение позволяет повысить надежность, пожаровзрывобезопасность и эффективность криогенной системы, увеличить срок бездренажного хранения водорода. 1 ил.

Криогенная система ожижения водорода, состоящая из установки ожижения водорода, выполненной в виде дожимающего продукционный поток водорода компрессора, блока азотного охлаждения, снабженного первой холодильной установкой, блока ожижения водорода в виде пяти рекуперативных теплообменников, трех адиабатных конверторов пароводорода и двух дроссельных вентилей, один из которых установлен на линии выдачи жидкого водорода в хранилище жидкого водорода, и гелиевой холодильной установки в составе компрессора, сжимающего гелий от давления обратного потока до рабочего давления, блока предварительного азотного охлаждения, снабженного второй холодильной установкой, гелиевого блока охлаждения, состоящего из четырех последовательных рекуперативных теплообменников и трех турбодетандеров, первый и второй из которых установлены последовательно, а также трубопроводов подачи гелия в блок ожижения водорода после второго и третьего турбодетандеров и трех трубопроводов возврата гелия из блока ожижения водорода в гелиевый блок охлаждения, отличающаяся тем, что в установке ожижения водорода перед дожимающим компрессором для предварительного сжатия продукционного потока водорода установлен многоступенчатый пароэжекторный агрегат, выполненный в виде последовательно включенных эжекторных ступеней в составе эжектора, водяного холодильника и сепаратора с клапаном в каждой ступени, а также коллектора подачи пара, коллектора подачи холодной воды в водяные холодильники, коллектора отвода нагретой воды из водяных холодильников и коллектора отвода воды из сепараторов, при этом все эжекторные ступени параллельно подключены к коллектору подачи пара, первая эжекторная ступень - к водородному газгольдеру, на котором установлен датчик положения колокола, соединенному с источником получения газообразного водорода, а концевая эжекторная ступень - к дожимающему компрессору, который выполнен без смазки и через регулирующий клапан соединен с газгольдером, а через расходомер - с блоком азотного охлаждения, в котором после первой холодильной установки последовательно установлены сепаратор и блок адсорбционный осушки, и, кроме того, установка оснащена блоком переохлаждения жидкого водорода, выполненным в виде криогенной емкости с теплообменником, размещенным внутри емкости и подсоединенным к линии выдачи жидкого водорода с дроссельным вентилем после блока ожижения водорода, и эжекторной ступени для откачки паров водорода из емкости в составе эжектора, водяного холодильника и сепаратора, при этом эжекторная ступень также подключена к коллектору подачи пара и газгольдеру, а в гелиевой холодильной установке для сжатия газообразного гелия от давления обратного потока до рабочего давления установлен многоступенчатый пароэжекторный агрегат, выполненный в виде последовательно включенных эжекторных ступеней в составе эжектора, водяного холодильника и сепаратора с клапаном в каждой ступени, при этом водяные холодильники подключены к коллектору подачи холодной воды и к коллектору отвода горячей воды, сепараторы - к коллектору отвода воды, а эжекторы - к коллектору подачи пара, при этом его первая эжекторная ступень через ресивер низкого давления и концевая эжекторная ступень через ресивер высокого давления соединены с блоком предварительного азотного охлаждения, в котором после второй холодильной установки последовательно установлены сепаратор и блок адсорбционный осушки, а в гелиевом блоке охлаждения выполнены два имитатора тепловой нагрузки, один из которых соединен с выходом из третьего детандера и выходом обратного потока из четвертого теплообменника, а второй соединен с выходом после второго детандера и также с выходом обратного потока из четвертого теплообменника, при этом на входе каждого имитатора тепловой нагрузки установлен клапан, а на выходе - датчик температуры, а на трубопроводах подачи гелия в блок ожижения водорода после второго и третьего турбодетандеров, а также на входе обратного потока в четвертый теплообменник после второго турбодетандера установлены регулирующие клапаны, и, кроме того, криогенная система снабжена линией подачи пара от парогенератора, соединенной через клапаны с коллекторами подачи пара обоих пароэжекторных агрегатов, насосным агрегатом возврата воды из сепараторов тех же пароэжекторных агрегатов в парогенератор и автономной установкой водяного охлаждения водяных холодильников, выполненной в виде резервуара для воды, циркуляционного насоса, соединенного с коллекторами подачи холодной воды в водяные холодильники, и двух теплообменников для охлаждения воды, подключенных к коллекторам отвода нагретой воды из водяных холодильников пароэжекторных агрегатов.