ВОДОРОДНЫЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ КОМБИНИРОВАНИЯ С АТОМНОЙ СТАНЦИЕЙ Российский патент 2024 года по МПК G21D1/00 

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для перегрева рабочего тела паротурбинной установки атомной электрической станции (АЭС), работающей на влажном паре при условии обеспечения ее базисной электрической нагрузкой в течении суток.

Известна паротурбинная установка АЭС с дополнительной паровой турбиной и с системой безопасного использования водорода (см. патент РФ на изобретение №2768766, МПК G21D 1/00, опубл. 24.03.2022 Бюл. №9). Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на АЭС работающие на влажном паре.

Паротурбинная установка АЭС с использованием дополнительной паровой турбины содержит систему сжигания водорода в кислороде с содержанием непрореагировавшего водорода и кислорода в паровой фазе рабочего тела под давлением. Установка содержит магнитный сепаратор, включающий соленоид, рабочий канал и основной трубопровод круглого сечения, во внутренней части которого установлена селективная мембрана на основе сплава палладия с серебром на участке воздействия магнитного поля на очищаемый поток водяного пара. Причем после водород-кислородной камеры сгорания перед цилиндром высокого давления дополнительной турбины паротурбинной установки АЭС и после промежуточного пароперегревателя перед цилиндром низкого давления основной турбины паротурбинной установки АЭС установлены каталитические рекомбинаторы (дожигатели) непрореагировавшего водорода. В магнитном сепараторе обеспечивается дополнительное удаление непрореагировавшего водорода за счет его сорбции в мембране. Возможный оставшийся непрореагировавший кислород удаляется системой эжекторных насосов.

В ночные провальные часы электрической нагрузки за счет процесса электролиза воды происходит аккумулирование невостребованной электроэнергии АЭС в виде водорода и кислорода, которые при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов поступают в систему хранения на основе металлических емкостей. В пиковые часы электрических нагрузок водород и кислород отбираются из емкостей хранения и при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов подаются по соответствующим подводящим магистралям в водород-кислородные камеры сгорания для перегрева рабочего тела основной и дополнительной паротурбинных установок.

Недостатком известной паротурбинной установки АЭС с дополнительной паровой турбиной и с системой безопасного использования водорода является наличие компрессоров в составе основного оборудования водородного комплекса, что снижает его надежность.

Известен способ работы энергоблока АЭС с водородной надстройкой и высокотемпературными электролизерами (см. патент РФ на изобретение №2682723, МПК G21D 7/00, опубл. 21.03.2019 Бюл. №9). Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на паротурбинных установках АЭС двухконтурного типа с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР), в частности изобретение может быть применено на серийных и проектируемых отечественных энергоблоках АЭС.

Часть вырабатываемой электрической энергии направляют потребителю в период минимума электрической нагрузки. Другую часть, определяемую диспетчерскими ограничениями, используют для работы блока водородной надстройки; водород и кислород вырабатывают, по крайней мере, в одном пусковом электролизере и направляют в водородо-кислородный парогенератор. Двухрежимный водородо-кислородный парогенератор, геометрия камеры смешения которого изменена при помощи ковшовой заслонки, осуществляет работу в двух режимах. Первый режим -выработка дополнительного пара, направляемого на турбину АЭС для получения дополнительной электрической мощности в период максимума электрической нагрузки, и в период минимума графиков электрической нагрузки, часть электроэнергии, определяемую диспетчерскими ограничениями, используют для работы блока водородной надстройки; для выработки водорода и кислорода. Часть полученного водорода и кислорода после охлаждения в охладителях через компрессоры направляют в хранилища, другую часть направляют в двухрежимный водородо-кислородный парогенератор.

Недостатком известного способа работы энергоблока АЭС с водородной надстройкой и высокотемпературными электролизерами является наличие компрессоров при подаче водорода и кислорода в хранилище, что снижает надежность работы водородной надстройки.

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.

Недостатком известной принципиальной схемы является наличие компрессоров при подаче водорода и кислорода в хранилище, что снижает надежность работы водородного комплекса.

Известны принципиальные схемы водородных пиковых электростанций (см., например, Шпильрайн Э.Э. Применение водорода в энергетике и энерготехнологических комплексах / Э.Э. Шпильрайн, Ю.А. Сарумов, О.С. Попель // Атомно-водородная энергетика и технология. - 1982. - Вып. 4. - С. 5-22.).

В период ночного провала электрической нагрузки в энергосистеме выработанные водород и кислород в электролизной установке сжимаются компрессорами и поступают в систему хранения. В часы пиковых электрических нагрузок водород и кислород поступают в камеру сгорания в стехиометрическом соотношении. В результате образующийся высокотемпературный водяной пар, охлаждаемый впрыском воды, поступает в паровую турбину по одной схеме; по другой схеме - в парогенератор; по третьей схеме - через МГД-генератор в парогенератор. При этом в схеме с паровой турбиной и в схеме с МГД-генератором+парогенератор водород и кислород при помощи компрессорных установок подаются в систему хранения.

Общим недостатком известных принципиальных схем водородных пиковых электростанций является наличие охлаждаемого впрыска воды в поток высокотемпературного водяного пара, что снижает термодинамическую эффективность этих схем. Кроме этого, недостатком схемы с паровой турбиной и схемы с МГД-генератором+парогенератор является наличие компрессоров при подаче водорода и кислорода в систему хранения, что снижает надежность работы водородного комплекса.

Известен способ повышения безопасности и технико-экономической эффективности работы АЭС в условиях неравномерного энергопотребления на основе водородно-теплового аккумулирования (см. патент РФ на изобретение №2759559, МПК G21D 1/00, опубл. 15.11.2021 Бюл. №32). Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования на атомных электрических станциях (АЭС) 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.

Недостатком известного способа является использование компрессорных машин при подаче водорода и кислорода в систему хранения при их выработке в электролизерах во внепиковые часы электрической нагрузки. Это снижает надежность работы водородного комплекса.

Известна парогазовая установка на базе АЭС (патент РФ на изобретение №2553725, МПК F01K 23/00, F24H 7/00, опубл. 20.06.2015), содержащая паровую турбину с цилиндрами высокого и низкого давления, соединенными между собой паропроводом с последовательно включенными в него сепаратором и двухступенчатым промежуточным паропаровым перегревателем, подогреватель высокого давления, газотурбинную установку, газопаровой подогреватель, подключенный по греющей стороне к тракту отработавших газов газовой турбины, а по нагреваемой - к паропроводу между цилиндрами паровой турбины параллельно второй ступени паропарового перегревателя, газоводяной подогреватель, подключенный по греющей стороне к тракту отработавших газов газовой турбины после газопарового подогревателя, а по нагреваемой - к трубопроводу питательной воды парового цикла и установленный параллельно подогревателю высокого давления, сателлитную турбину, дожигающее устройство, паровую электролизерную, хранилище кислорода, хранилище водорода, компрематор кислорода, компрематор водорода, водород-кислородный парогенератор.

Парогазовая установка предназначена для повышения коэффициента использования установленной мощности энергоблока АЭС и всего энергокомплекса в целом за счет более глубокой утилизации уходящих газов газотурбинной установки (ГТУ) и резервной системы утилизации тепла ГТУ при выделении для реакторной установки строго базового режима и при одновременном расширении регулировочного диапазона всей энергоустановки, а также повышение эксплуатационной гибкости и маневренности парогазовой установки на базе АЭС и ГТУ с глубокой и вариативной утилизацией отработавших газов ГТУ.

Недостатком известной парогазовой установки является использование компрессорных машин (компрематоры) при подаче водорода и кислорода в систему хранения после их выработки в высокотемпературном электролизере пара, что снижает надежность работы водородного комплекса.

Известен способ и принципиальная схема повышения маневренности и безопасности АЭС на основе теплового и химического аккумулирования (патент РФ на изобретение №2640409, МПК G21D 1/00, опубл. 09.01.2018 г), содержащая основную паротурбинную установку, парогенератор, устройство парораспределения, причем устройство парораспределения соединено с входом в основную паротурбинную установку и парогенеартор посредством паропроводов, систему регенерации, электролизную установку для получения водорода и кислорода (на схеме не показано), водородные и кислородные ресиверы (на схеме не показано), водород-кислородный парогенератор, дополнительную паротурбинную установку, бак горячей воды, бак холодной воды, поверхностный теплообменник.

Сущность изобретения заключается в обеспечении надежного повышения маневренности и безопасности двухконтурной АЭС на основе теплового и химического аккумулирования внепиковой электроэнергии в виде водородного топлива и горячей воды, которые могут использоваться для выработки пиковой электроэнергии и обеспечения резервного электроснабжения собственных нужд АЭС с использованием энергии остаточного тепловыделения реактора при полном обесточивании.

Как следует из описания изобретения, недостатком известного способа является использование компрессорных машин при подаче водорода и кислорода в систему хранения после их выработки электролизом воды, что снижает надежность работы водородного комплекса.

Известен способ повышения маневренности АЭС (патент РФ на изобретение №2529508, МПК G21D 1/00, опубл. 27.09.2014), включающий паровую турбину с цилиндрами высокого и низкого давления, устройство парораспределения, сепаратор, промежуточный перегреватель, систему для получения водорода и кислорода, включающую электролизную установку для получения водорода и кислорода с водородными и кислородными ресиверами (на схеме не показано).

Сущность изобретения заключается в обеспечении надежного и безопасного повышения маневренности и экономичности двухконтурной АЭС посредством работы парогазовой установки и водородного комплекса, оборудование которых выведено за территорию площадки станции.

Как следует из описания изобретения недостатком известного способа является использование компрессорных машин при подаче водорода и кислорода в систему хранения после их выработки электролизом воды в часы аккумулирования невостребованной электроэнергии, что снижает надежность работы водородного комплекса.

Известен способ расхолаживания водоохлаждаемого реактора при полном обесточивании АЭС (патент РФ на изобретение №2499307, МПК G21D 3/08, опубл. 20.11.2013 г), содержащий паропроизводящую установку с ядерным энергетическим водоохлаждаемым реактором, пароэнергетическую турбогенераторную установку, дополнительную паровую турбину, систему производства и хранения водорода и кислорода (на схеме не показано), систему расхолаживания паропроизводящей установки.

Способ предназначен для расхолаживания водоохлаждаемого реактора в штатном режиме при полном обесточивании АЭС, без использования аварийных систем расхолаживания реактора, за счет использования энергии остаточных тепловыделений в активной зоне, энергии сжигания водородного топлива и дополнительной турбины, эффективно используемой для повышения маневренности энергоблока АЭС в эксплуатационных режимах.

Как следует из описания изобретения недостатком известного способа является использование компрессорных машин при подаче водорода и кислорода в систему хранения после их выработки электролизом воды в часы аккумулирования невостребованной электроэнергии, что снижает надежность работы водородного комплекса.

Известна установка для обеспечения маневренности АЭС (патент на полезную модель РФ №70312, МПК F01K 13/02, H02J 9/04, G21D 3/08, опубл. 20.01.2008 г) содержащая ядерный реактор, парогенератор, паровую турбину, соединенную с электрогенератором, и через конденсатор и конденсатный насос с системой регенеративных подогревателей низкого давления, связанной последовательно установленными деаэратором, питательным насосом парогенератора, подогревателями высокого давления, соединенными с парогенератором, причем подогреватели низкого и высокого давления через конденсатор связаны с паровой турбиной, выходной вал которой соединен с электрогенератором, который связан с реактором для получения кислорода и водорода, за которым установлены емкости для накопления и хранения кислорода и водорода, соединенные с расположенными в технологической последовательности камерой сгорания, паровой турбиной сверхкритических параметров, вторыми конденсатором и конденсатным насосом, связанным через регулирующий клапан с подогревателями низкого давления, деаэратором, питательным насосом камеры сгорания, подогревателями высокого давления, связанными с камерой сгорания, при этом конденсатный насос соединен с резервуаром для воды, связанный с помощью насосов с реактором для получения кислорода и водорода с одной стороны и с камерой сгорания с другой, а подогреватели низкого и высокого давления соединены через второй конденсатор с паровой турбиной сверхкритических параметров, соединенной со вторым электрогенератором.

Недостатком известной установки для обеспечения маневренности АЭС является впрыск охлаждающей воды в водород-кислородную камеру сгорания, что снижает термодинамическую эффективность использования теплоты водорода в паровой турбине сверхкритических параметров.

Известна турбинная установка атомной электростанции (варианты) (патент РФ на изобретение №2459293, МПК G21D 1/00, опубл. 20.08.2012 г). Турбинная установка АЭС содержит паровую турбину с цилиндром высокого давления и цилиндром низкого давления, сепаратор, промежуточный перегреватель, систему для получения водорода и кислорода (на схеме не показано), включающую электролизную установку для получения водорода и кислорода с водородными и кислородными компрессорами и ресиверами для хранения, пароводородные перегреватели, устройство парораспределения. При этом вход цилиндра высокого давления соединен трубопроводом с устройством парораспределения, пароводородные перегреватели соединены с системой для получения водорода и кислорода. По первому варианту введена сателлитная паротурбинная установка с трубопроводом вытесненного пара, которая подключена к устройству парораспределения, а выход цилиндра высокого давления через сепаратор, пароводородный перегреватель и промежуточный перегреватель соединен с входом цилиндра низкого давления. По второму варианту введена сателлитная паротурбинная установка с трубопроводом вытесненного пара и пароводородным перегревателем вытесненного пара, соединенным с системой для получения водорода и кислорода и с устройством парораспределения перед цилиндром высокого давления, выход пароводородного перегревателя вытесненного пара соединен с сателлитной паротурбинной установкой, а выход цилиндра высокого давления соединен с входом цилиндра низкого давления.

Турбинная установка предназначена для устранения переменного расхода рабочего тела через основную паровую турбину АЭС при повышении мощности энергоблока выше номинальной.

Согласно описанию изобретения, в обоих вариантах в ночные внепиковые часы электрической нагрузки за счет процесса электролиза воды происходит аккумулирование невостребованной электроэнергии в виде водорода и кислорода, которые при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов поступают в емкости хранения. Затем водород и кислород отбираются из емкостей хранения и при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов подаются в соответствующие пароводородные перегреватели.

Недостатком известной турбинной установки (варианты) является использование компрессорных машин при подаче водорода и кислорода в систему хранения после их выработки электролизом воды в ночные внепиковые часы электрической нагрузки, а также использование компрессорных машин для подачи водорода и кислорода в пароперегреватели рабочего тела паротурбинного цикла АЭС для выработки пиковой мощности.

Наиболее близким аналогом является паротурбинная установка АЭС с системой безопасного использования водорода (см. патент РФ на изобретение №2769511, МПК G21D 7/00, опубл. 01.0.2022 Бюл. №10). Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования с целью перегрева рабочего тела паротурбинной установки АЭС, работающей на влажном паре.

Установка содержит паровую турбину с цилиндром высокого давления и цилиндром низкого давления, сепаратор, промежуточный перегреватель, электрогенератор, конденсатор, конденсатные насосы, подогреватели низкого давления, рециркуляцию добавленного рабочего тела, водород-кислородную камеру сгорания, каталитические рекомбинаторы непрореагировавшего водорода, магнитный сепаратор. Элементы установки соединены таким образом, что при циркуляции рабочего тела обеспечивается комбинирование каталитического дожигания и действия магнитного сепаратора: в каталитических рекомбинаторах происходит дожигание непрореагировавшего водорода с кислородом, причем в магнитном сепараторе за счет воздействия неоднородного магнитного поля соленоида происходит дополнительное удаление возможного оставшегося количества непрореагировавшего водорода при помощи сорбции в теле мембраны из палладиевого сплава. Возможный оставшийся непрореагировавший кислород удаляется системой эжекторных насосов.

В ночные провальные часы электрической нагрузки за счет процесса электролиза воды происходит аккумулирование невостребованной электроэнергии АЭС в виде водорода и кислорода, которые при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов поступают в систему хранения на основе металлических емкостей (на схеме не показано). В пиковые часы электрических нагрузок водород и кислород отбираются из емкостей хранения и при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов (на схеме не показано) подаются по соответствующим подводящим магистралям в водород-кислородную камеру сгорания.

Как следует из описания изобретения недостатком известной паротурбинной установки АЭС с системой безопасного использования водорода является наличие компрессоров при подаче водорода и кислорода в систему хранения, а также при отборе водорода и кислорода из системы хранения, что снижает надежность водородного комплекса.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности водородного комплекса.

Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является снижение вероятности отказа водородного комплекса в условиях комбинирования с атомной станцией.

Указанный технический результат достигается тем, что водородный комплекс включающий систему получения водорода и кислорода на основе электролиза воды, промежуточные охладители водорода и кислорода, систему хранения водорода и кислорода, дожимные компрессорные установки водорода и кислорода до и после системы хранения, водород-кислородную камеру сгорания, встроенную в трубопровод подачи свежего пара перед турбиной для перегрева рабочего тела в паротурбинном цикле АЭС с содержанием непрореагировавшего водорода и кислорода в паровой фазе рабочего тела под давлением, магнитный сепаратор на основе соленоида, установленный перед конденсатором турбины, рабочий трубопровод для транспортировки очищаемого потока пара от непрореагировавшего водорода и кислорода при этом рабочий трубопровод выполнен с возможностью прямолинейного направления водяного пара, во внутренней части которого в пристеночной области по всему периметру установлена селективная мембрана на основе сплава палладия с серебром на участке воздействия магнитного поля на очищаемый поток водяного пара, каталитические рекомбинаторы непрореагировавшего водорода, установленные после водород-кислородной камеры сгорания перед цилиндром высокого давления и перед цилиндром низкого давления паровой турбины, согласно изобретения, водород и кислород поступают в систему хранения высокого давления и затем из системы хранения через редукционные установки понижения давления водорода и кислорода поступают в водород-кислородную камеру сгорания для перегрева свежего пара в паротурбинном цикле АЭС

Повышение надежности водородного комплекса в условиях комбинировании с атомной станцией достигается за счет того, что в провальный период электрической нагрузки водород и кислород вырабатываются в системе электролиза воды под высоким давлением и поступают в систему хранения на основе специальных металлических емкостей повышенной прочности. В период пиковых нагрузок, водород и кислород поступают из системы хранения через редукционные установки понижения давления в водород-кислородную камеру сгорания, встроенную в трубопровод подачи свежего пара перед цилиндром высокого давления турбины, предназначенную для перегрева свежего пара в паротурбинном цикле АЭС.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 показан водородный комплекс на основе электролиза воды высокого давления при комбинировании с атомной станцией.

Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - система электролиза воды высокого давления; 2, 3 - промежуточные охладители водорода и кислорода соответственно; 4 - система хранения водорода и кислорода под высоким давлением; 5 - редукционная установка понижения давления водорода; 6 - редукционная установка понижения давления кислорода; 7 - водород-кислородная камера сгорания; 8 -каталитический рекомбинатор непрореагировавшего водорода и кислорода; 9 - цилиндр высокого давления паровой турбины АЭС; 10 - сепаратор-пароперегреватель; 11 - цилиндр низкого давления паровой турбины; 12 - электрогенератор паровой турбины АЭС; 13 - магнитный сепаратор непрореагировавшего водорода; 14 - конденсатор паровой турбины АЭС; 15 - конденсатный насос; 16 - подогреватели низкого давления системы регенерации паротурбинной установки АЭС; 17 - рециркуляция добавленной доли рабочего тела; 18 - бак-аккумулятор рециркулированного конденсата.

Водородный комплекс на основе электролиза воды высокого давления для комбинирования с атомной станцией содержит систему получения водорода и кислорода электролизом воды под высоким давлением 1, промежуточные охладители 2 и 3 водорода и кислорода, соответственно, аккумулирование водорода и кислорода в системе хранения высокого давления 4, редукционные установки понижения давления водорода 5 и кислорода 6, водород-кислородную камеру сгорания 7, встроенную в трубопровод подачи свежего пара для перегрева свежего пара в паротурбинном цикле АЭС, а паротурбинная установка атомной станции содержит каталитический рекомбинатор 8 непрореагировавшего водорода и кислорода, цилиндр высокого давления турбины 9, сепаратор-пароперегреватель 10, цилиндр низкого давления турбины 11, электрический генератор 12, магнитный сепаратор непрореагировавшего водорода 13, конденсатор турбины 14, конденсатные насосы 15, подогреватели низкого давления 16 системы регенерации, рециркуляцию добавленного рабочего тела 17, бак-аккумулятор 18. При этом вход водород-кислородной камеры сгорания 7 соединен с магистралями подачи водорода и кислорода из системы хранения, а выход соединен с входом в каталитический рекомбинатор 8, выход которого соединен со входом в цилиндр высокого давления турбины 9. Выход цилиндра высокого давления турбины 9 соединен с входом в сепаратор-пароперегреватель 10, выход которого соединен со входом в каталитический рекомбинатор 8, выход которого соединен со входом в цилиндр низкого давления турбины 11. Цилиндры высокого 9 и низкого давления 11 турбины находятся на одном валу с электрогенератором 12. Выход цилиндра низкого давления турбины 11 соединен со входом в магнитный сепаратор непрореагировавшего водорода 13, выход которого соединен со входом в конденсатор турбины 14. Выход конденсатора турбины 14 соединен через конденсатный насос 15 с подогревателями низкого давления 16 системы регенерации. Рециркуляция 17 добавленной доли рабочего тела к основному осуществляется после подогревателей низкого давления 16 посредством конденсатных насосов 15 в бак-аккумулятор 18 с целью возврата в электролиз высокого давления 1.

Водородный комплекс на основе электролиза воды высокого давления для комбинирования с атомной станцией включает систему получения водорода и кислорода электролизом воды под высоким давлением 1, промежуточные охладители водорода 2 и кислорода 3, подачу водорода и кислорода в систему хранения высокого давления 4, подачу водорода и кислорода из системы хранения 4 через редукционные установки понижения давления водорода 5 и кислорода 6 в водород-кислородную камеру сгорания 7, встроенную в трубопровод подачи свежего пара для перегрева свежего пара в паротурбинном цикле АЭС.

Водородный комплекс на основе электролиза воды высокого давления для комбинирования с атомной станцией работает следующим образом. В период провала электрической нагрузки АЭС с целью предотвращения ее разгрузки за счет процесса электролиза воды под высоким давлением 1 (возможный диапазон 10-50 МПа), происходит аккумулирование невостребованной электроэнергии АЭС в виде водорода и кислорода, которые пройдя промежуточные охладители 2 и 3 прямотоком поступают в систему хранения высокого давления 4 на основе специальных емкостей повышенной прочности, способные выдерживать давление вплоть до 100 МПа. В пиковые часы электрической нагрузки водород и кислород поступают из системы хранения высокого давления 4 через редукционные установки понижения давления водорода 5 и кислорода 6 в водород-кислородную камеру сгорания 7, встроенную в трубопровод подачи свежего пара для перегрева свежего пара посредством смешения пара окисления водорода в кислороде со свежим паром из парогенераторов. Таким образом, ввиду того, что в составе основного оборудования водородного комплекса в условиях режима частого пуск-останова компрессорные установки являются наименее устойчивым к отказам оборудованием, то их исключение приводит к повышению общей надежности водородного комплекса, т.е., к заметному снижению общей вероятности отказа. Редукционные установки 5 и 6 способствуют понижению давления водорода и кислорода до необходимого давления свежего пара паротурбинного цикла АЭС с целью исключения гидравлического удара при перегреве и расширении перегретого пара в цилиндрах высокого 9 и низкого давления 11 турбины. Сжигание водорода в кислороде в водород-кислородной камере сгорания 7 предполагается в две ступени: первоначальное нестехиометрическое окисление с получением смеси водяного пара с непрореагировавшим кислородом при температуре выше температуры самовоспламенения водорода в кислороде и последующее стехиометрическое окисление за счет самовоспламенения водорода в кислороде с получением высокотемпературного водяного пара с температурой порядка 3300°С с последующим постепенным понижением температуры за счет передачи тепла свежему пару из парогенераторов за счет специальной трубчатой теплообменной поверхности, что также способствует устранению «эффекта закалки». Под «эффектом закалки» подразумевается резкое охлаждение высокотемпературного диссоциированного водяного пара, при котором продукты диссоциации в виде водорода и кислорода не успевают рекомбинировать обратно в сторону образования водяного пара, что влечет повышенное содержание непрореагировавшего водорода в потоке рабочего тела и, как следствие, повышает вероятность образования гремучей смеси. Таким образом, после охлаждения высокотемпературного водяного пара посредством пароперегревательной теплообменной поверхности происходит его смешение со свежим паром из парогенераторов дополнительно перегревая его. В результате это приводит к увеличению температуры свежего пара, что в результате его расширения в цилиндрах высокого 9 и низкого 11 давления турбины способствует выработке пиковой мощности электрогенератором 12. За счет применения ультравысокотемпературной керамики для водород-кислородной камеры сгорания отсутствует необходимость ее принудительного водяного охлаждения, что исключает затраты тепла на фазовое превращение охлаждающей воды и повышает термодинамическую эффективность использования теплоты от сжигания водорода в паротурбинном цикле АЭС. Ввиду сложности обеспечения условий для полного сжигания водорода, возможно образование непрореагировавшего водорода и кислорода в потоке рабочего тела паротурбинной установки АЭС, даже в результате плавного снижения температуры высокотемпературного водяного пара перед его смешением со свежим паром. С целью снижения концентрации непрореагировавшего водорода и кислорода и недопущения образования гремучей смеси, перед цилиндром высокого давления 9 и перед цилиндром низкого давления 11 турбины установлены каталитические рекомбинаторы 8, в которых происходит дожигание непрореагировавшего водорода в кислороде с образованием водяного пара. Вместе с тем это способствует сохранности номинального рабочего ресурса рабочих лопаток турбины АЭС от возможного коррозионного повреждения непрореагировавшим кислородом, а также от воздействия водородного охрупчивания от непрореагировавшего водорода в среде перегретого пара. Дополнительно после цилиндра низкого давления турбины 11 применяется магнитный сепаратор 13 непрореагировавшего водорода, в котором под воздействием неоднородного магнитного поля соленоида происходит удаление возможного оставшегося количества непрореагировавшего водорода посредством контактной палладиевой мембраны. Таким образом, после того, как пар с содержанием некоторого количества непрореагировавшего водорода и кислорода отработал в цилиндре низкого давления турбины 11 и давление его снизилось, далее двигается в трубопроводе прямолинейного направления через область воздействия неоднородного магнитного поля соленоида, в виде обмотки из гибкого электрического проводника в изоляции с внешней стороны трубопровода, находящейся внутри водяной рубашки охлаждения и подключенного к источнику электропитания. При этом на внутренней поверхности участка трубопровода, где происходит воздействие неоднородного магнитного поля, по всему периметру нанесена палладиевая мембрана. Вследствие того, что соленоид обмотан с внешней стороны трубопровода, то вектор магнитной индукции сонаправлен с направлением движения пара с содержанием непрореагировавшего водорода и кислорода. У молекулярного водорода (диамагнетик) ввиду спаренности электронов отсутствует собственное внешнее магнитное поле. Под воздействием неоднородного внешнего магнитного поля в результате действия силы Лоренца искривляются сферические орбиты движения электронов, что создает силу, стремящаяся переместить водород в область более слабого поля, т.е., в направлении к периферии внутреннего пространства трубопровода, где искривления орбит будут минимальными. У молекулярного кислорода (парамагнетик) ввиду наличия неспаренных электронов имеется собственное внешнее магнитное поле. Под воздействием неоднородного внешнего магнитного поля спины неспаренных электронов ориентируются в направлении поля и кислород втягивается в область более сильного поля, т.е., в направлении к центральной оси соленоида, совпадающей с центром трубопровода. Таким образом, это приводит к взаимному разделению водорода и кислорода в неоднородном магнитном поле. Возможный оставшийся непрореагировавший кислород удаляется системой эжекторных насосов. На основе выполненных расчетов определена теоретическая возможность практически полного удаления непрореагировавшего водорода из рабочего тела паротурбинного цикла АЭС с предотвращением образования гремучей смеси. Таким образом, комбинирование каталитических рекомбинаторов и магнитного сепаратора создает условия, при которых в конденсаторе паротурбинной установки АЭС не возникает образование гремучей смеси в виде неконденсирующихся непрореагировавших водорода и кислорода. После конденсатора 14 посредством конденсатных насосов 15 после подогревателей низкого давления 16 за счет рециркуляции 17 и бака-аккумулятора 18 добавленная доля рабочего тела в виде конденсата подается вновь в систему электролиза высокого давления 1.

Отличительным признаком предложенного водородного комплекса на основе электролиза воды высокого давления в условиях комбинирования с атомной станцией является подача водорода и кислорода после системы получения электролизом воды высокого давления в систему хранения высокого давления и затем подача из системы хранения через редукционные установки понижения давления водорода и кислорода в водород-кислородную камеру сгорания для перегрева свежего пара в паротурбинном цикле АЭС.

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для перегрева рабочего тела паротурбинной установки атомной электрической станции (АЭС), работающей на влажном паре при условии обеспечения ее базисной электрической нагрузкой в течении суток. Водородный комплекс включает систему получения водорода и кислорода на основе электролиза воды, промежуточные охладители водорода и кислорода, систему хранения водорода и кислорода, дожимные компрессорные установки водорода и кислорода, водород-кислородную камеру сгорания, магнитный сепаратор, рабочий трубопровод, каталитические рекомбинаторы непрореагировавшего водорода. Водород и кислород поступают в систему хранения высокого давления и затем из системы хранения через редукционные установки понижения давления водорода и кислорода поступают в водород-кислородную камеру сгорания для перегрева свежего пара в паротурбинном цикле АЭС. Изобретение позволяет снизить вероятность отказа водородного комплекса в условиях комбинирования с атомной станцией. 1 ил.

Водородный комплекс, включающий систему получения водорода и кислорода на основе электролиза воды, промежуточные охладители водорода и кислорода, систему хранения водорода и кислорода, дожимные компрессорные установки водорода и кислорода до и после системы хранения, водород-кислородную камеру сгорания, встроенную в трубопровод подачи свежего пара перед турбиной для перегрева свежего пара в паротурбинном цикле АЭС с содержанием непрореагировавшего водорода и кислорода в паровой фазе рабочего тела под давлением, магнитный сепаратор на основе соленоида, установленный перед конденсатором турбины, рабочий трубопровод для транспортировки очищаемого потока пара от непрореагировавшего водорода и кислорода при этом рабочий трубопровод выполнен с возможностью прямолинейного направления водяного пара, во внутренней части которого в пристеночной области по всему периметру установлена селективная мембрана на основе сплава палладия с серебром на участке воздействия магнитного поля на очищаемый поток водяного пара, каталитические рекомбинаторы непрореагировавшего водорода, установленные после водород-кислородной камеры сгорания перед цилиндром высокого давления и перед цилиндром низкого давления паровой турбины, отличающийся тем, что водород и кислород поступают в систему хранения высокого давления и затем из системы хранения через редукционные установки понижения давления водорода и кислорода поступают в водород-кислородную камеру сгорания для перегрева свежего пара в паротурбинном цикле АЭС.