Ядерная энергетическая установка для атомоходов Российский патент 2023 года по МПК B63H21/18 G21D1/00 

Изобретение относится к области судовой ядерной энергетики и может быть использовано при строительстве атомных ледоколов, атомных подводных лодок, гражданских судов и военных кораблей с ядерными энергетическими установками, плавучих атомных теплоэлектростанций и др.

Известен способ управления ядерной энергетической установкой, заключающийся в отслеживании изменений внешней нагрузки системой регулирования турбины при помощи регулирующего клапана, изменяющего расход пара на турбину по сигналу на поддержание частоты вращения турбины, и регулировании давления пара изменением положения клапана питательной воды парогенератора по сигналу отклонения давления пара от заданного значения (Юркевич Г.П. "Системы управления ядерными реакторами. Принципы работы и создания", М., 2009, стр. 331, рис. 5.12).

Известно, что в ядерных энергетических установках с двухконтурными водо-водяными реакторами типа ВВЭР, включающих в себя связанные между собой реактор, жидкостной и паровой контуры, при этом в качестве рабочего тела жидкостного контура, проходящего через реактор и предназначенного для надежного и постоянного охлаждение активной зоны реактора, используется вода под высоким давлением, а в качестве рабочего тела парового контура вода и пар, производимый за счет тепла, получаемого в реакторе и используемого в паровой турбине для производства электроэнергии (Патент РФ №2742730, опубл. от 10.02.2021, Бюл. №4).

Недостатком водо-водяных ядерных реакторов типа ВВЭР (реакторами с водой под давлением) является работа парового контура (паропроизводящей установки) при прокачке через ее парогенераторы теплоносителя жидкостного контура в виде воды высокого давления, что предъявляет к конструкции и эксплуатации жидкостного контура особые требования работы сосудов под высоким давлением. Для устранения перечисленных недостатков необходимо применять промежуточную сепарацию и промежуточный перегрев пара, что приводит к значительному услужению схемы двухконтурных ядерных энергетических установок, использующих в качестве рабочих тел воды, и требует применения дополнительного объемного оборудования.

Известно, что основной недостаток двухконтурных ядерных энергетических установках с водяными паротурбинными установками заключается в низких параметрах пара парового (второго) контура на выходе из парогенераторов: давление около 3,0-3,7 МПа и температура 285-300°С. Из-за низких начальных параметров пара в паровом контуре проточная часть паровой турбины работает в области влажного пара. В связи с этим, при низких начальных параметрах пара из-за высокой влажности возникает интенсивная капельно-ударная эрозия лопаток турбоагрегатов (Патент РФ №2757737, опубл. от 21.10.2021, Бюл. №30).

Недостатком данного технического решения является то, что для устранения капельно-ударной эрозия лопаток турбоагрегатов применяется значительное по массогабаритным характеристикам и сложности оборудование дополнительного контура, состоящего из циркуляционной системы, в которую входят соединенные в замкнутую цепь циркуляционный насос, водяной пароперегреватель и дополнительный теплообменник для нагрева воды дополнительного контура, размещенный по крайней мере в одном парогенераторе, и нагреваемой водой первого контура до температуры не ниже температуры перегретого пара.

Известна ядерная энергетическая установка для атомоходов, состоящая из размещенных внутри корпуса атомохода ядерного реактора и двух замкнутых контуров, первый из которых является жидкостным контуром с циркуляционным насосом, а второй, паровым контуром, включающим в себя парогенератор, паровую турбину с электрогенератором на одном валу, конденсатор и жидкостной насос, при этом жидкостной контур проходит через ядерный реактор и парогенератор парового контура, электрогенератор соединен с гребными электродвигателями и другими электропотребителями атомохода, а паровой контур снабжен байпасной линией для маневрирования паровой турбины, содержащей регулирующий клапан травления и дроссельное устройство и соединяющей участки парового контура после парогенератора и перед конденсатором, минуя турбину (Энергетика атомных судов / А.Н. Дядик, С.Н. Сурин. - СПб: Судостроение, 2014. - 477 с., стр. 165-170).

Основными недостатками данного технического решения является использование в качестве рабочего тела второго (парового) контура энергетической установки воды и как следствие этого высокая коррозионная активность водяного пара в паровом контуре, приводящая к коррозии лопаток паровой турбины, низкая энергетическая эффективность энергетической установки вследствие не использования тепловой энергии, получаемой при охлаждении пара в конденсаторе парового контура, и сброса ее в окружающую среду.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения заключается в возможности повышения надежности работы и эффективности паровой турбины за счет замены воды как рабочего тела парового контура на органическое рабочее тело (например, пентан) и снижения коррозии лопаток паровой турбины, повышения энергетической эффективности и эффективности управления мощностью ядерной энергетической установки за счет использования тепловой энергии, получаемой при охлаждении пара, для внутренних потребителей тепловой энергии атомохода.

Для достижения данного технического результата предлагаемая ядерная энергетическая установка для атомоходов, состоящая из размещенных внутри корпуса атомохода ядерного реактора и двух замкнутых контуров, первый из которых является жидкостным контуром с циркуляционным насосом, а второй, паровым контуром, включающим в себя парогенератор, паровую турбину с электрогенератором на одном валу, конденсатор и жидкостной насос, при этом жидкостной контур проходит через ядерный реактор и парогенератор парового контура, электрогенератор соединен с гребными электродвигателями и другими электропотребителями атомохода, а паровой контур снабжен байпасной линией для маневрирования паровой турбины, содержащей регулирующий клапан травления и дроссельное устройство и соединяющей участки парового контура после парогенератора и перед конденсатором, минуя турбину, снабжена в качестве рабочего тела парового контура органическим рабочим телом, замкнутым контуром охлаждения, проходящим через конденсатор парового контура и содержащим расширительную емкость, циркуляционный насос, теплообменник-нагреватель, через который проходит контур потребителей тепловой энергии атомохода, и теплообменник-охладитель, через который проходит линия забортной охлаждающей воды с циркуляционным насосом.

В качестве рабочего тела парового контура используется органическое рабочее тело в виде пентана.

Введение в состав ядерной энергетической установки для атомоходов в качестве рабочего тела парового контура органического рабочего тела (например, пентана), замкнутого контура охлаждения, проходящего через конденсатор парового контура и содержащего расширительную емкость, циркуляционный насос, теплообменник-нагреватель, через который проходит контур потребителей тепловой энергии атомохода, и теплообменник-охладитель, через который проходит линия забортной охлаждающей воды с циркуляционным насосом, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности снижения коррозии лопаток паровой турбины и повышения надежности работы маневровой турбины за счет замены воды как рабочего тела парового контура на органическое рабочее тело (например, пентан), что исключает работу проточной части паровой турбины в области влажного пара, повышения энергетической эффективности ядерной энергетической установки за счет использования бросовой тепловой энергии (получаемой из атомной энергии) для внутренних потребителей тепловой энергии атомохода, что обеспечивается сбором горячей воды в расширительной емкости, получаемой при охлаждении пара при прохождении замкнутого контура охлаждения через конденсатор парового контура, и передачи части этой тепловой энергии в теплообменнике-нагревателе от горячей воды замкнутого контура охлаждения теплоносителю контура потребителей тепловой энергии атомохода, а также повышения эффективности управления мощностью энергетической установки путем регулирования увеличения или уменьшения расхода подачи воды из расширительной емкости замкнутого контура охлаждения при байпасировании (маневрировании) паровой турбины (отвода части потока пара минуя паровую турбину с последующим возвращением в паровой контур).

На фиг. 1 представлена принципиальная схема ядерной энергетической установки для атомоходов, где:

1 - корпус атомохода (атомного ледокола, атомной подводной лодки, гражданского суда или военного корабля с ядерной энергетической установкой);

2 - ядерный реактор;

3 - жидкостной контур;

4 - циркуляционный насос жидкостного контура;

5 - паровой контур;

6 - парогенератор;

7 - паровая турбина;

8 - электрогенератор;

9 - конденсатор парового контура;

10 - циркуляционный насос парового контура;

11 - байпасная линия для маневрирования паровой турбины;

12 - регулирующий клапан травления байпасной линии;

13 - дроссельное устройство байпасной линии;

14 - гребные электродвигатели;

15 - другие электропотребители атомохода;

16 - замкнутый контур системы охлаждения;

17 - расширительная емкость замкнутого контура охлаждения;

18 - циркуляционный насос замкнутого контура охлаждения;

19 - теплообменник-нагреватель замкнутого контура охлаждения;

20 - теплообменник-охладитель замкнутого контура охлаждения;

21 - контур потребителей тепловой энергии атомохода;

22 - потребители тепловой энергии атомохода;

23 - линия забортной охлаждающей воды.

24 - циркуляционный насос линии забортной охлаждающей воды.

Предлагаемая ядерная энергетическая установка для атомоходов функционирует следующим образом.

Для работы предлагаемой ядерной энергетической установки для атомоходов используется двухконтурная ядерная установка, состоящая из ядерного реактора 2, жидкостного контура 3 и парового контура 5, расположенных внутри корпуса атомохода 1.

В ядерном реакторе 2 за счет реакции деления ядерного топлива выделяется тепловая энергия и передается рабочему телу жидкостного контура 3, что приводит к нагреву рабочего тела до высокой температуры. Циркуляция рабочего тела контура 3 обеспечивается за счет работы циркуляционного насоса 4. При этом рабочее тело контура 3 свое агрегатное состояние в процессе циркуляции по контуру 3 не меняет и постоянно остается в жидком состоянии.

Нагретое до высокой температуры рабочее тело контура 3 передает тепловую энергию рабочему телу парового контура 5 в парогенераторе 6. После теплопередачи, охлажденное рабочее тело контура 3 вновь поступает в ядерный реактор 2 с помощью циркуляционного насоса 4.

При передаче тепловой энергии в парогенераторе 6, рабочее тело парового контура 5, в качестве которого используется органическое рабочее тело (например, пентан) за счет тепловой энергии нагревается, переходит в пар, который перегревается до высокой температуры и давления. Из парогенератора 6 контура 5 перегретый пар органического рабочего тела под высоким давлением поступает в паровую турбину 7 с электрогенератором 8 на одном валу. За счет вращения турбины 7 в электрогенераторе 8 вырабатывается полезная электрическая энергия для гребных электродвигателей 14 и других электропотребителей 15 атомохода, связанных с электрогенератором 8.

Применение в качестве рабочего тела контура 5 органического рабочего тела, позволяет уменьшить массогабаритные характеристики паровой турбины 7 и снизить коррозию лопаток паровой турбины 7.

Проходя паровую турбину 7, пары органического рабочего тела снижают давления и поступают в конденсатор 9 парового контура 5, где конденсируются за счет охлаждения от охлаждающей среды, подаваемой по замкнутому контуру охлаждения 16.

Затем, из конденсатора 9 сконденсировавшееся органическое рабочее тело (пентан) парового контура 5 вновь подается в парогенератор 6 с помощью циркуляционного насоса 10.

В случае необходимости резкого сброса нагрузки и необходимости уменьшения мощности турбины 7, что происходит при полной остановке или замедления хода атомохода (например, атомного ледокола или военного корабля с ядерной энергетической установкой) в тяжелых льдах или других маневрах, а затем необходимостью последующего повторного разгона, избыток пара, вырабатываемый парогенератором 6, сбрасывался с помощью байпасной линии 11 напрямую в конденсатор 9, минуя турбину 7. Этим обеспечивается маневрирование турбиной 7 за счет открытия регулирующего клапан травления 12 и прохождения пара через дроссельное устройство 13 байпасной линии 11, минуя турбину 7.

Повышение энергетической эффективности ядерной энергетической установки происходит за счет использования бросовой тепловой энергии (получаемой из атомной энергии) для внутренних потребителей тепловой энергии 22 атомохода.

Для этого горячую воду замкнутого контура охлаждения 16, получаемую при охлаждении пара при прохождении контура охлаждения 16 через конденсатор 9 парового контура 5, собирают в расширительной емкости 17 контура охлаждения 16, а затем с помощью циркуляционного насоса 18 подают в теплообменник-нагреватель 19 замкнутого контура охлаждения 16 для передачи части высокотемпературной тепловой энергии контуру 21 потребителей тепловой энергии 22 атомохода за счет теплообмена горячей воды контура охлаждения 16 и теплоносителя контура 21 потребителей тепловой энергии 22 атомохода.

После передачи части тепловой энергии в теплообменнике-нагревателе 19 теплоноситель (теплая вода) замкнутого контура охлаждения 16 подается в теплообменник-охладитель 20, где теплая вода охлаждается до температуры окружающей среды за счет теплообмена с забортной водой, подаваемой по линия забортной охлаждающей воды 23 с помощью циркуляционного насоса 24.

Затем охлажденная до температуры окружающей среды вода замкнутого контура охлаждения 16 с помощью циркуляционного насоса 18 вновь подается в конденсатор 9 парового контура 5 для теплообмена, охлаждения и конденсации паров органического рабочего тела (пентана) парового контура 5.

При этом контур охлаждения 16 замыкается, что позволяет создать замкнутый контур охлаждения 16 для обеспечения работы парового контура 5 и передачи тепловой энергии от ядерной энергетической установки первоначально потребителям тепловой энергии 22 атомохода, а затем окружающей среде (забортной воде).

При этом следует отметить, что для повышения эффективности управления мощностью энергетической установки (одновременно с использованием байпасной линии 11 для регулирования объема подаваемого пара в турбину 7) путем регулирования объема подаваемой воды, использование расширительной емкости 17 обеспечивает возможность увеличения или уменьшения расхода подачи воды замкнутого контура охлаждения 16 при байпасировании маневровой турбины 7 (отвода части потока пара минуя паровую турбину 7 с последующим возвращением в паровой контур 5).

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

1. Юркевич Г.П. "Системы управления ядерными реакторами. Принципы работы и создания", М., 2009, стр. 331, рис. 5.12.

2. Патент РФ №2742730, опубл. от 10.02.2021, Бюл. №4.

3. Патент РФ №2757737, опубл. от 21.10.2021, Бюл. №30.

4. Энергетика атомных судов / А.Н. Дядик, С.Н. Сурин. - СПб: Судостроение, 2014. - 477 с., стр. 165-170 - прототип.

Изобретение относится к ядерной энергетической установке для атомоходов. В ядерном реакторе 2 вырабатывается тепловая энергия, которая через жидкостный контур 3 и паровой контур 5 преобразуется в высокое давление паров пентана, сбрасываемое в паровой турбине 7, причем обеспечивается вращение электрогенератора 8 и выработка полезной электрической энергии для гребных электродвигателей 14 и других электропотребителей 15 атомохода, связанных с электрогенератором 8. Горячую воду замкнутого контура охлаждения 16, получаемую при охлаждении пара при прохождении контура охлаждения 16 через конденсатор 9, собирают в расширительной емкости 17, а затем с помощью циркуляционного насоса 18 подают в теплообменник-нагреватель 19 для передачи части высокотемпературной тепловой энергии контуру 21 потребителей тепловой энергии 22 атомохода. После передачи части тепловой энергии в теплообменнике-нагревателе 19 теплоноситель замкнутого контура охлаждения 16 подается в теплообменник-охладитель 20, где теплая вода охлаждается за счет теплообмена с забортной водой, подаваемой по линии забортной охлаждающей воды 23 с помощью циркуляционного насоса 24. Техническим результатом является повышение надежности работы и эффективности паровой турбины, а также повышение энергетической эффективности и эффективности управления мощностью ядерной энергетической установки. 1 ил.

Ядерная энергетическая установка для атомоходов, состоящая из размещенных внутри корпуса атомохода ядерного реактора и двух замкнутых контуров, первый из которых является жидкостным контуром с циркуляционным насосом, а второй - паровым контуром, включающим в себя парогенератор, паровую турбину с электрогенератором на одном валу, конденсатор и жидкостный насос, при этом жидкостный контур проходит через ядерный реактор и парогенератор парового контура, электрогенератор соединен с гребными электродвигателями и другими электропотребителями атомохода, а паровой контур снабжен байпасной линией для маневрирования паровой турбины, содержащей регулирующий клапан травления и дроссельное устройство и соединяющей участки парового контура после парогенератора и перед конденсатором, минуя турбину, отличающаяся тем, что снабжена в качестве рабочего тела парового контура органическим рабочим телом в виде пентана, замкнутым контуром охлаждения, проходящим через конденсатор парового контура и содержащим расширительную емкость, циркуляционный насос, теплообменник-нагреватель, через который проходит контур потребителей тепловой энергии атомохода, и теплообменник-охладитель, через который проходит линия забортной охлаждающей воды с циркуляционным насосом.