Гибридная АЭС Российский патент 2025 года по МПК G21D5/14 

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано при разработке гибридных атомных электростанций с высокими показателями эксплуатационной маневренности.

Известна гибридная АЭС (см. патент RU2661341), содержащая последовательно соединенные ядерный реактор, низкотемпературный реакторный парогенератор, низкотемпературную паровую турбину с сепаратором-пароперегревателем, конденсатор, конденсатный насос, регенеративные подогреватели низкого давления, деаэратор, питательный насос и подогреватель высокого давления. При этом к основной низкотемпературной паровой турбине присоединяется высокотемпературный паротурбинный блок с котлом-пароперегревателем, использующий для перегрева части, идущего из реакторного парогенератора, пара теплоту сгорания органического топлива. Перегретый пар направлен к высокотемпературной паровой турбине, присоединенной к стандартной АЭС и общему реакторному парогенератору.

Недостатком такой схемы являются большие капитальные затраты на дополнительное оборудование, сравнимые по затратам с стоимостью оборудования отдельной станции. Еще одним недостатком является увеличенные потери в холодном источнике, в связи с наличием перегретого пара на выходе из высокотемпературной турбины.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является гибридная АЭС (см. патент RU2771618C1), где часть свежего пара парогенератора направляется в влажно-паровую турбину с сепаратором-пароперегревателем (СПП), другая же часть свежего пара из парогенератора перегревается в внешнем пароперегревателе, с последующей работой в высокотемпературных турбинах ЦВД и ЦСД. После работы в ЦВД отработавший пар может направляться в рекуперативный теплообменник перед парогенератором, где при необходимости догревает питательную воду до необходимых параметров, после направляясь в ЦСД. Отработавший пар затем направляется в ЦНД влажно-паровой турбины, где смешивается с паром после СПП.

Недостатком этой гибридной двухблочной АЭС является низкая тепловая эффективность внешнего пароперегревателя, обусловленная высоким уровнем температур уходящих газов.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в снижении потерь теплоты с уходящими газами установки пароперегревателя на органическом топливе и расширение диапазона изменения нагрузки гибридной АЭС.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение диапазона изменения вырабатываемой мощности АЭС и рост КПД нетто энергоблока.

Технический результат достигается за счет того, что гибридная атомная электростанция, включающая в себя парогенератор, клапаны, цилиндр высокого давления (ЦВД) влажно-паровой турбины, сепаратор, паро-паровой перегреватель, цилиндр низкого давления (ЦНД) влажно-паровой турбины, электрогенератор влажно-паровой турбины, конденсатор, конденсатный насос, систему химводоочистки, систему регенеративных подогревателей низкого давления, деаэратор, питательный насос, турбопривод питательного насоса, систему регенеративных подогревателей высокого давления, выносной пароперегреватель, ЦВД высокотемпературной турбины с противодавлением, электрогенератор высокотемпературной турбины с противодавлением, выход ЦНД влажно-паровой турбины соединен с конденсатором, выход которого в свою очередь последовательно соединён с конденсатным насосом, системой химводоочистки, системой регенеративных подогревателей низкого давления и деаэратором, выход деаэратора соединен с входом питательного насоса, выход которого соединён последовательно с системой регенеративных подогревателей высокого давления, согласно изобретению снабжена газоводяным теплообменником и воздухоподогревателем, при этом выход парогенератора паропроводом свежего пара через клапан, определяющий расход пара через влажно-паровую турбину, и трубопровод соединен с входами ЦВД влажно-паровой турбины, а через клапан на входе в высокотемпературный тракт и трубопровод соответственно с входом выносного пароперегревателя, выход ЦВД влажно-паровой турбины соединен последовательно с сепаратором и паро-паровым перегревателем, который в свою очередь через трубопровод, имеющий общую точку подключения с трубопроводом, питающим турбопривод питательного насоса, и трубопроводом, соединяющим паро-паровой перегреватель и ЦНД влажно-паровой турбины, выход по пару выносного пароперегревателя через регулирующий клапан, определяющий расход через высокотемпературную турбину, соединен с ЦВД высокотемпературной турбины, который расположен на одном валу с электрогенератором высокотемпературной турбины с противодавлением, трубопровод пара на выходе из ЦВД высокотемпературной турбины через клапан на выходе из высокотемпературного тракта имеет точку соединения с трубопроводом, соединяющим паро-паровой перегреватель и ЦНД влажно-паровой турбины, система регенеративных подогревателей высокого давления соединена последовательно с входом по воде газоводяного теплообменника и парогенератором, выносной пароперегреватель выходом дымовых газов соединён со входом дымовых газов газоводяного теплообменника, соответствующий выход которого соединен с воздухоподогревателем, выполненным с выходом уходящих газов в атмосферу, а также соответствующими входом и выходом по воздуху, при этом выход по воздуху воздухоподогревателя соединён со входом по воздуху выносного пароперегревателя.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная тепловая схема гибридной атомной электростанции, особенностью которой является наличие надстроенного высокотемпературного тракта, куда направляется доля свежего пара парогенератора для перегрева на органическом топливе и последующего срабатывания в высокотемпературной турбине и смешения с паром после СПП.

На чертеже показаны следующие конструкционные элементы предлагаемой гибридной АЭС: парогенератор 1, регулирующий клапан, определяющий расход пара через влажно-паровую турбину, 2, цилиндр высокого давления (ЦВД) влажно-паровой турбины 3, сепаратор 4, паро-паровой перегреватель 5, цилиндр низкого давления (ЦНД) влажно-паровой турбины 6, электрогенератор влажно-паровой турбины 7, конденсатор 8, конденсатный насос 9, система химводоочистки 10, система регенеративных подогревателей низкого давления 11, деаэратор 12, питательный насос 13, турбопривод питательного насоса 14, система регенеративных подогревателей высокого давления 15, газоводяной теплообменник 16, клапан на входе в высокотемпературный тракт 17, выносной пароперегреватель 18, воздухоподогреватель 19, регулирующий клапан, определяющий расход через высокотемпературную турбину, 20, ЦВД высокотемпературной турбины с противодавлением 21, электрогенератор высокотемпературной турбины с противодавлением 22, клапан на выходе из высокотемпературного тракта 23, паропровод свежего пара 24, трубопровод пара, направляемого в влажно-паровую турбину 25, трубопровод пара направляемого на перегрев 26, трубопровод пара после паро-парового перегревателя 27, трубопровод пара, питающего турбопривод питательного насоса, 28, трубопровод пара направляемого в ЦНД влажно-паровой турбины 29, трубопровод пара на выходе из высокотемпературной турбины 30.

Выход парогенератора 1 паропроводом свежего пара 24 через клапан 2, определяющий расход пара через влажно-паровую турбину, и трубопровод 25 соединен с входами ЦВД влажно-паровой турбины 3, а через клапан 17 на входе в высокотемпературный тракт и трубопровод 26 соответственно с входом выносного пароперегревателя 18. Выход ЦВД влажно-паровой турбины 3 соединен последовательно с сепаратором 4 и паро-паровым перегревателем 5, который в свою очередь через трубопровод 27, имеющий общую точку подключения с трубопроводом 28, питающим турбопривод питательного насоса 14, и трубопроводом 29, соединяющим паро-паровой перегреватель 5 и ЦНД влажно-паровой турбины 6. Выход по пару выносного пароперегревателя 18 через регулирующий клапан 20, определяющий расход через высокотемпературную турбину, соединен с ЦВД высокотемпературной турбины 21, который расположен на одном валу с электрогенератором высокотемпературной турбины с противодавлением 22. Трубопровод пара 30 на выходе из ЦВД высокотемпературной турбины 21 через клапан 23 на выходе из высокотемпературного тракта имеет точку соединения с трубопроводом 29, соединяющим паро-паровой перегреватель 5 и ЦНД влажно-паровой турбины 6. ЦВД и ЦНД влажно-паровой турбины 3 и 6 расположены на одном валу и механически связаны с электрогенератором влажно-паровой турбины 7. Выход ЦНД влажно-паровой турбины 6 соединен с конденсатором 8, выход которого в свою очередь последовательно соединён с конденсатным насосом 9, системой химводоочистки 10, системой регенеративных подогревателей низкого давления 11 и деаэратором 12. Выход деаэратора 12 соединен с входом питательного насоса 13, выход которого соединён последовательно с системой регенеративных подогревателей высокого давления 15, входом по воде газоводяного теплообменника 16 и парогенератором 1. Выносной пароперегреватель 18, в котором происходят процессы горения топлива, выходом дымовых газов соединён со входом дымовых газов газоводяного теплообменника 16, соответствующий выход которого соединен с воздухоподогревателем 19, выполненным с выходом уходящих газов в атмосферу, а также соответствующими входом и выходом по воздуху, при этом выход по воздуху соединён со входом по воздуху выносного пароперегревателя 18.

Предложенная гибридная АЭС работает следующим образом.

Свежий пар из паропровода 24 на выходе из парогенератора 1 делится на два потока. Один поток пара, предварительно пройдя регулирующий клапан 2, последовательно направляется в трубопровод пара 25 и ЦВД влажно-паровой турбины 3, где совершает работу. Далее для уменьшения влагосодержания и повышения теплового потенциала отработавший пар проходит через сепаратор влаги 4 и паро-паровой перегреватель 5, греющим теплоносителем которого является предварительно отобранный свежий пар. Другой поток пара из трубопровода 26 направляется в выносной пароперегреватель 18, для перегрева путем использования теплоты горения топлива с предварительно подогретым окислителем в виде воздуха. Затем пар высоких термодинамических параметров проходит регулирующий клапан 20 и направляется в ЦВД высокотемпературной турбины с противодавлением 21. После отработавший пар из трубопровода 30, пройдя клапан 23, смешивается с потоком пара из трубопровода 29 за паро-паровым перегревателем 5 и срабатывает в ЦНД влажно-паровой турбины 6. Влажно-паровые ЦВД 3 и ЦНД 6 находятся на одном валу с электрогенератором 7, а высокотемпературный ЦВД 21 в свою очередь механически соединен с электрогенератором высокотемпературной турбины с противодавлением 22. Далее пар конденсируется в конденсаторе 8. Конденсат нагнетается в конденсатном насосе 9, затем последовательно направляется в систему химводоочистки 10, систему регенеративных подогревателей низкого давления 11 и деаэратор 12. Затем конденсат нагнетается питательным насосом 13, причем питательный насос 13 приходит в действие за счет турбопривода питательного насоса 14, питаемого потоком пара из трубопровода 28, который отбирается за паро-паровым перегревателем 5. Питательная вода после последовательно проходит систему регенеративных подогревателей высокого давления 15, газоводяной теплообменник 16, и направляется в парогенератор 1. Газоводяной теплообменник 16 подогревает питательную воду за счет утилизации теплоты уходящих газов выносного пароперегревателя 18, в дальнейшем теплота уходящих газов утилизируется в воздухоподогревателе 19 для интенсификации процессов горения и дымовой газ выходит в атмосферу.

Одной из особенностей работы данной схемы является возможность эксплуатации АЭС на режимах частичной нагрузки, за счет изменения расхода пара в высокотемпературный тракт, путем изменения степени открытия регулирующих клапанов 2, 20. При полном открытии клапана 20 на входе в высокотемпературную турбину и частичном закрытии клапана 2 во влажно-паровую половина расхода свежего пара направляется в ЦВД высокотемпературной турбины 21, который будет работать в номинальном режиме, причем для ЦВД влажно-паровой турбины 3 номинальным расходом будет являться расход всего свежего пара за вычетом отбора на пароперегреватель 5. Работа в неноминальном режиме приведет к падению начального давления ЦВД влажно-паровой турбины 3 из-за дросселирования в регулирующем клапане 2, что в свою очередь приводит к падению располагаемого теплоперепада и снижению температуры питательной воды в связи с уменьшением термодинамических параметров пара регенеративных отборов. Работа ЦВД высокотемпературной турбины 21 не только позволит покрыть потери энергии в проточной части влажно-парового ЦВД 3, но также позволит выработать дополнительную электрическую энергию. В свою очередь, питательная вода подогревается до необходимой номинальной температуры в газоводяном теплообменнике 16. Уменьшение расхода в ЦВД высокотемпературной турбины 21 путем уменьшения и увеличения степени открытия задвижки 20 и 2 соответственно, приводит к повышению начального давления в влажно-паровом ЦВД 3 и снижению в ЦВД высокотемпературной турбины 21, что вызывает уменьшение вырабатываемой мощности, так как рабочее тело ЦВД высокотемпературной турбины 21 имеет более высокий тепловой потенциал.

Результаты моделирования показали, что максимально вырабатываемая электрическая мощность предложенной гибридной АЭС выросла на 4,84; 4,97; 5,10 % (до 1460, 1415, 1372 МВт) по сравнению с прототипом для температур перегретого пара 640, 600 и 560°С при одинаковых термодинамических параметрах цикла, что связано с отсутствием отбора высокопотенциального пара в регулятор температуры. Установлено, что перегрев части пара в выносном пароперегревателе с глубокой утилизацией низкопотенциальной теплоты приводит к росту КПД нетто энергоблока на 5,04; 4,64; 4,22% в сравнении с прототипом при перегрева половины пара до 640, 600 и 560°С, за счет значительного уменьшения потерь энергии с уходящими газами.

Работа гибридной АЭС в режимах частичной нагрузки сопровождается падением температуры питательной воды на выходе из системы регенеративного подогрева высокого давления 15, вызванное изменением давления регенеративных отборов ЦВД влажно-паровой турбины 3 при изменении степени открытия клапанов 2, 20. Внедрение газоводяного теплообменника 16, позволит сохранить температуру питательной воды на входе в парогенератор 1 постоянной за счет использования теплоты дымовых газов выносного пароперегревателя 18, что значительно повышает эксплуатационную надежность энергоблока. Дальнейшая утилизация низкопотенциальной теплоты уходящих газов происходит в воздухоподогревателе 19.

Использование изобретения позволяет увеличить диапазон изменения вырабатываемой мощности АЭС и увеличить КПД нетто энергоблока.

Изобретение относится к разработке гибридных атомных электростанций с высокими показателями эксплуатационной маневренности. Гибридная атомная электростанция содержит парогенератор, клапаны, цилиндр высокого давления (ЦВД) влажно-паровой турбины, сепаратор, паро-паровой перегреватель, цилиндр низкого давления влажно-паровой турбины, электрогенератор влажно-паровой турбины, конденсатор, конденсатный насос, систему химводоочистки, систему регенеративных подогревателей низкого давления, деаэратор, питательный насос, турбопривод питательного насоса, систему регенеративных подогревателей высокого давления, выносной пароперегреватель, ЦВД высокотемпературной турбины с противодавлением, электрогенератор высокотемпературной турбины с противодавлением. В конструкции гибридной АЭС предусмотрено наличие надстроенного высокотемпературного тракта, куда направляется доля свежего пара парогенератора для перегрева на органическом топливе и последующего срабатывания в высокотемпературной турбине и смешения с паром после сепаратора-пароперегревателя. Причем АЭС выполнена с возможностью эксплуатации на режимах частичной нагрузки за счет изменения расхода пара в высокотемпературный тракт посредством изменения степени открытия регулирующих клапанов. Техническим результатом является увеличение диапазона изменения вырабатываемой мощности АЭС и рост КПД нетто энергоблока. 1 ил.

Гибридная атомная электростанция, включающая в себя парогенератор, клапаны, цилиндр высокого давления (ЦВД) влажно-паровой турбины, сепаратор, паро-паровой перегреватель, цилиндр низкого давления (ЦНД) влажно-паровой турбины, электрогенератор влажно-паровой турбины, конденсатор, конденсатный насос, систему химводоочистки, систему регенеративных подогревателей низкого давления, деаэратор, питательный насос, турбопривод питательного насоса, систему регенеративных подогревателей высокого давления, выносной пароперегреватель, ЦВД высокотемпературной турбины с противодавлением, электрогенератор высокотемпературной турбины с противодавлением, выход ЦНД влажно-паровой турбины соединен с конденсатором, выход которого, в свою очередь, последовательно соединён с конденсатным насосом, системой химводоочистки, системой регенеративных подогревателей низкого давления и деаэратором, выход деаэратора соединен с входом питательного насоса, выход которого соединён последовательно с системой регенеративных подогревателей высокого давления, отличающаяся тем, что снабжена газоводяным теплообменником и воздухоподогревателем, при этом выход парогенератора паропроводом свежего пара через клапан, определяющий расход пара через влажно-паровую турбину, и трубопровод соединен с входами ЦВД влажно-паровой турбины, а через клапан на входе в высокотемпературный тракт и трубопровод соответственно с входом выносного пароперегревателя, выход ЦВД влажно-паровой турбины соединен последовательно с сепаратором и паро-паровым перегревателем, который, в свою очередь, через трубопровод, имеющий общую точку подключения с трубопроводом, питающим турбопривод питательного насоса, и трубопроводом, соединяющим паро-паровой перегреватель и ЦНД влажно-паровой турбины, выход по пару выносного пароперегревателя через регулирующий клапан, определяющий расход через высокотемпературную турбину, соединен с ЦВД высокотемпературной турбины, который расположен на одном валу с электрогенератором высокотемпературной турбины с противодавлением, трубопровод пара на выходе из ЦВД высокотемпературной турбины через клапан на выходе из высокотемпературного тракта имеет точку соединения с трубопроводом, соединяющим паро-паровой перегреватель и ЦНД влажно-паровой турбины, система регенеративных подогревателей высокого давления соединена последовательно с входом по воде газоводяного теплообменника и парогенератором, выносной пароперегреватель выходом дымовых газов соединён с входом дымовых газов газоводяного теплообменника, соответствующий выход которого соединен с воздухоподогревателем, выполненным с выходом уходящих газов в атмосферу, а также соответствующими входом и выходом по воздуху, при этом выход по воздуху воздухоподогревателя соединён с входом по воздуху выносного пароперегревателя.