Атомная энерготехнологическая установка для выработки электроэнергии, тепловой энергии и водорода Российский патент 2025 года по МПК F02C1/08 F01K3/18 G21D5/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области химической промышленности и энергетики и может быть использовано при разработке энерготехнологических комплексов для совместного производства электроэнергии, тепловой энергии и водорода.

Уровень техники

Известна атомно-энергетическая установка для производства водорода (A design-phase PSA of a nuclear-powered hydrogen plant / P. F. Nelson, A. Flores, J. L. François // Nuclear Engineering and Design, Vol. 237, No. 3, 2007, pp. 219-229), содержащая ядерный реактор, систему контроля давления, парогенератор, конденсатор, охладитель гелия, деаэратор, систему водоочистки, теплообменные аппараты, сепаратор, компрессора, охладитель синтез-газа, систему снабжения азотом, систему подвода метана, подогреватель метана, газовый факел.

Недостатками данного решения являются низкая экологичность вследствие выбросов диоксида углерода, низкая эффективность производства водорода, малые функциональные возможности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка для выработки электроэнергии и водорода (публ. CN № 105508051, публ. 20.04.2016, МПК F02C6/00), содержащая ядерный реактор, соединенный с гелий-гелиевым теплообменником, который подключен к риформеру, который соединен с рекуператором, соединенным с газовой турбиной, соединенной с охладителем, подсоединенным к компрессору, соединенному с гелий-гелиевым теплообменником, причем риформер соединен также с рекуператором, который соединен также с парогенератором, конвертером, последовательно соединенным с подогревателем метана, деаэратором, адсорбером переменного давления, причем подогреватель метана также соединен с источником метана и с риформером, а парогенератор соединен с риформером, деаэратором, охладителем.

Недостатками данного технического решения являются низкая экологичность из-за наличия выбросов диоксида углерода, низкий коэффициент использования теплоты топлива, малые функциональные возможности.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является обеспечение возможности регулирования соотношения выработки электрической, тепловой энергии и водорода.

Технический результат заключается в повышении коэффициента использования тепла топлива (КИТТ) атомной энерготехнологической установки, совместном производстве электрической, тепловой энергии и водорода с возможностью регулирования нагрузки по каждому направлению, а также отсутствии выбросов вредных веществ в атмосферу.

Это достигается тем, что известная атомная энерготехнологическая установка для выработки электроэнергии, тепловой энергии и водорода, содержащая компрессор, газоохлаждаемый ядерный реактор, газовую турбину, электрогенератор газового цикла, парогенератор, подогреватель питательной воды, насос питательной воды, риформер, печь риформера, многопоточный рекуператор, охладитель, адсорбер переменного давления, при этом вход компрессора выполнен с возможностью приема гелия, а выход компрессора соединен с входом газоохлаждаемого ядерного реактора, выход газоохлаждаемого ядерного реактора соединен с входом газовой турбины, соединенной механически с компрессором и с электрогенератором газового цикла, снабжена паровой турбиной, сетевым подогревателем с выходом на потребителя тепловой энергии, конденсатором, электрогенератором пароводяного цикла, насосом технологической воды, топливным компрессором, воздухоразделительной установкой, кислородным компрессором, рециркуляционным компрессором, углекислотным компрессором, высокотемпературным реактором, первым охладитель-сепаратором синтез-газа, вторым охладитель-сепаратором углекислого газа, охлаждаемым компрессором, при этом выход газовой турбины соединен с входом горячей стороны парогенератора, выход которой соединен с входом компрессора и выполнен с возможностью подачи гелия, выход холодной стороны парогенератора соединен с входом паровой турбины, механически соединенной с электрогенератором, паровая турбина выполнена с четырьмя выходами, первый из которых соединен с первым входом конденсатора, второй - с входом сетевого подогревателя, третий - с первым входом подогревателя питательной воды, четвертый - с первым входом риформера, выход конденсатора соединен с входом насоса питательной воды, выход которого соединен со вторым входом подогревателя питательной воды, один из выходов которого соединен со вторым входом конденсатора, а другой выход - с входом парогенератора, первый выход сетевого подогревателя выполнен с возможностью подключения потребителя тепловой энергии, второй выход сетевого подогревателя соединен с третьим входом подогревателя питательной воды, второй вход риформера соединен с выходом рекуператора, третий вход риформера соединен с выходом печи риформера, четвертый вход риформера соединен с выходом насоса технологической воды, первый выход риформера соединен с горячей частью рекуператора, первый вход рекуператора соединен с выходом топливного компрессора, выполненного с возможностью подачи метана, второй вход рекуператора соединен с выходом кислородного компрессора, вход которого соединен с первым выходом воздухоразделительной установки, вход и второй выход которой соединены с атмосферой, третий вход рекуператора соединен с выходом рециркуляционного компрессора, четвертый вход рекуператора соединен с первым выходом высокотемпературного реактора, выходы рекуператора соединены со вторым входом риформера, первым, вторым, третьим и четвертым входами печи риформера, а также первым входом высокотемпературного реактора, выход печи риформера соединен с третьим входом риформера, ко второму выходу высокотемпературного реактора подсоединены последовательно соединенные охладитель, охладитель-сепаратор синтез-газа, выполненный с возможностью вывода воды в дренаж, адсорбер переменного давления, выполненный с возможностью отвода водорода, и вход рециркуляционного компрессора, вход охладителя-сепаратора углекислого газа соединен со вторым выходом риформера, при этом охладитель-сепаратор выполнен с возможностью отвода воды в дренаж, выход охладителя-сепаратора углекислого газа соединен с охлаждаемым компрессором, выполненным с возможностью подачи жидкой углекислоты потребителю, и с входом углекислотного компрессора, выход которого соединен с входом холодного контура охладителя, выход которого соединен со вторым входом высокотемпературного реактора.

Краткое описание чертежей

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная тепловая схема атомной энерготехнологической установки для совместного производства электроэнергии, тепловой энергии и водорода, на фиг. 2 представлены соотношения затрачиваемой в цикле атомной энерготехнологической установки энергии и выработки полезных энергопродуктов в виде электроэнергии, тепловой энергии и водорода, а также коэффициент использования теплоты топлива (КИТТ) в сравнении с прототипом.

Осуществление изобретения

Атомная энерготехнологическая установка для выработки электроэнергии, тепловой энергии и водорода содержит компрессор 1 (К), газоохлаждаемый ядерный реактор 2 (Р), газовую турбину 3 (Т), электрогенератор газового цикла 4, парогенератор 5, паровую турбину 6 (ПТ), сетевой подогреватель 7 (СП), выход на потребителя тепловой энергии 8 (ТП), подогреватель питательной воды 9 (П), конденсатор 10, электрогенератор пароводяного цикла 11, насос питательной воды 12, риформер 13, печь риформера 14, многопоточный рекуператор 15, насос технологической воды 16, топливный компрессор 17, воздухоразделительную установку 18 (ВРУ), кислородный компрессор 19, рециркуляционный компрессор 20, углекислотный компрессор 21, охладитель 22 (ОТ), высокотемпературный реактор 23 (ВТР), охладитель-сепаратор синтез-газа 24 (ОС1), адсорбер переменного давления 25 (АПД), охладитель-сепаратор углекислого газа 26 (ОС2), охлаждаемый компрессор 27.

Вход компрессора 1 выполнен с возможностью приема гелия, а выход компрессора 1 соединен с входом газоохлаждаемого ядерного реактора 2. Выход газоохлаждаемого ядерного реактора 2 соединен с входом газовой турбины 3, соединенной механически с компрессором 1 и с электрогенератором газового цикла 4. Выход газовой турбины 3 соединен с входом горячей стороны парогенератора 5, выход которой соединен с входом компрессора 1 и выполнен с возможностью подачи гелия.

Выход холодной стороны парогенератора 5 соединен с входом паровой турбины 6, механически соединенной с электрогенератором 11. Паровая турбина 6 выполнена с четырьмя отборами (выходами), первый из которых соединен с первым входом конденсатора 10, второй - с входом сетевого подогревателя 7, третий - с первым входом подогревателя питательной воды 9, четвертый - с первым входом риформера 13. Выход конденсатора 10 соединен с входом насоса питательной воды 12, выход которого соединен со вторым входом подогревателя питательной воды 9, один из выходов которого соединен со вторым входом конденсатора 10, а другой выход - с входом парогенератора 5. Первый выход сетевого подогревателя 7 выполнен с возможностью подключения потребителя тепловой энергии 8. Второй выход сетевого подогревателя 7 соединен с третьим входом подогревателя питательной воды 9.

Второй вход риформера 13 соединен с выходом рекуператора 15. Третий вход риформера 13 соединен с выходом печи риформера 14, четвертый вход риформера 13 соединен с выходом насоса технологической воды 16. Первый выход риформера 13 соединен с горячей частью рекуператора 15.

Первый вход рекуператора 15 соединен с выходом топливного компрессора 17, выполненного с возможностью подачи метана. Второй вход рекуператора 15 соединен с выходом кислородного компрессора 19, вход которого соединен с первым выходом воздухоразделительной установки 18, вход и второй выход которой соединены с атмосферой.

Третий вход рекуператора 15 соединен с выходом рециркуляционного компрессора 20, четвертый вход рекуператора 15 соединен с первым выходом высокотемпературного реактора 23. Выходы рекуператора 15 соединены со вторым входом риформера 13, первым, вторым, третьим и четвертым входами печи риформера 14, а также первым входом высокотемпературного реактора 23. Выход печи риформера 14 соединен с третьим входом риформера 13.

Ко второму выходу высокотемпературного реактора 23 подсоединены последовательно соединенные охладитель 22, охладитель-сепаратор синтез-газа 24, выполненный с возможностью вывода воды в дренаж, адсорбер переменного давления 25, выполненный с возможностью отвода водорода, и вход рециркуляционного компрессора 20.

Вход охладителя-сепаратора углекислого газа 26 соединен со вторым выходом риформера 13. При этом охладитель-сепаратор 26 выполнен с возможностью отвода воды в дренаж. Выход охладителя-сепаратора углекислого газа 26 соединен с охлаждаемым компрессором 27, выполненным с возможностью подачи жидкой углекислоты потребителю, и с входом углекислотного компрессора 21, выход которого соединен с входом холодного контура охладителя 22, выход которого соединен со вторым входом высокотемпературного реактора 23.

Атомная энерготехнологическая установка для выработки электроэнергии, тепловой энергии и водорода работает следующим образом.

Гелий поступает посредством компрессора 1 в газоохлаждаемый ядерный реактор 2, где нагревается до температуры 950°С, после чего происходит процесс его расширения в газовой турбине 3 до давления 3,2 МПа. Далее отработавший гелий направляется в парогенератор 5, где происходит его охлаждение до температуры 100°С. Охладившись до температуры 100°С, гелий направляется в компрессор 1, где давление повышается до 7,5 МПа.

Вырабатывающийся в парогенераторе 5 пар направляется на паровую турбину 6, где происходит процесс расширения до давления 4 кПа. В паровой турбине 6 реализованы регулируемый отбор в риформер 13, а также отборы, направленные в сетевой подогреватель 7 и подогреватель питательной воды 9. Пар после подогревателя питательной воды 9 направляется в конденсатор 10, куда также поступает после расширения пар из паровой турбины 6. Далее конденсат проходит в подогреватель питательной воды 9, где нагревается до 80°С.

Пар с отбора паровой турбины 6 направляется в риформер 13. Вода с температурой 30°С направляется при помощи насоса 16 в риформер 13, охлаждая уходящие газы до температуры 100°С, после чего смешивается с паром из отбора паровой турбины 6 и смешанный поток направляется на первый вход риформера 13, где нагревается до температуры 450°С.

Природный газ нагнетается в топливном компрессоре 17 до давления 2,2 МПа, после чего нагревается в многопоточном рекуператоре 15 до температуры 450°С, после чего смешивается с паром из турбины 6 и направляется в риформер 13 (на второй вход), таким образом производится 80% синтез-газа. Выработанный синтез газ охлаждается в рекуператоре 15 до температуры 450°С и направляется в высокотемпературный реактор 23, где охлаждается до температуры 275°С. Далее синтез газ охлаждается в охладительном теплообменнике 22, в охладителе-сепараторе синтез-газа 24, где также удаляются водяные пары из синтез-газа, после чего в адсорбере переменного давления 25 водород отделяется от углекислого газа, монооксида углерода и остатков метана. Водород направляется потребителю, а оставшаяся смесь газов направляется в рециркуляционный компрессор 20, нагревается в многопоточном рекуператоре 15 и дожигается в печи риформера 14. Воздух направляется в воздухоразделительную установку 18, где происходит разделение азота и кислорода. Выработанный кислород поступает в кислородный компрессор 19, нагревается в многопоточном рекуператоре 15, после чего подается в печь риформера 14.

Часть потока метана вместе с кислородом из рекуператора 15 направляется в печь риформера 14, где происходит кислородное сжигание топлива с получением углекислого газа и водяного пара. Тепло продуктов сгорания утилизируется в риформере 13, после чего смесь углекислого газа и пара направляется в охладитель-сепаратор 26. После сепарации водяных паров часть углекислого газа направляется на охлаждаемый компрессор 27, где углекислый газ сжижается и может быть направлен потребителю или на захоронение, а вторая часть направляется в углекислотный компрессор 21. Углекислый газ после сжатия в углекислотном компрессоре 21 утилизирует тепло синтез-газа в охладителе 22, высокотемпературном реакторе 23 и в многопоточном рекуператоре 15, после чего направляется в печь риформера 14.

Для дополнительного производства тепловой энергии из паровой турбины 6 реализован отбор для сетевого подогревателя 7. Дренаж от сетевого подогревателя 7 сливается в подогреватель питательной воды 9 через вход 3. Тепло от сетевых подогревателей 7 с помощью циркуляционной воды направляется потребителям тепловой энергии.

Наличие топливного компрессора 17 обеспечивает повышение давления метана, что необходимо для преодоления сопротивления при течении в многопоточном рекуператоре 15, за счет чего обеспечивается предварительный подогрев метана теплом выходящего из риформера синтез-газа. За счет этого снижается использование теплоты сгорания топлива в процессе риформинга и повышается коэффициент использования теплоты топлива (КИТТ).

Наличие охладителя-сепаратора синтез-газа 24, рециркуляционного компрессора 20 позволяет удалять из синтез-газа водяной пар, после чего повторно направлять на риформинг непрореагировавший метан и монооксид углерода, что также повышает коэффициент использования теплоты топлива.

Наличие углекислотного компрессора 21 и высокотемпературного реактора 23 позволяет осуществлять рекуперацию тепловой энергии выходящего из риформера синтез-газа, что также позволяет повысить коэффициент использования теплоты топлива установки.

Насос технологической воды 16 позволяет осуществлять рекуперацию тепловой энергии газов на выходе из риформера 13, что позволяет также повысить коэффициент использования теплоты топлива установки.

Выполнение паровой турбины 6 с несколькими отборами, в том числе, на сетевой подогреватель 7 с выходом на потребителя тепловой энергии 8, конденсатор 10 и риформер 13, а также механическая связь с электрогенератором пароводяного цикла 11 позволяет осуществлять совместную выработку электроэнергии, водорода и тепловой энергии, а также регулировать соотношение их выработки.

Воздухоразделительная установка 18 совместно с кислородным компрессором 19 позволяют обеспечить отсутствие азота в рабочем теле цикла, что исключает наличие дополнительных неконденсирующихся газов. А также наличие охладителя-сепаратора углекислого газа 26 (ОС2) и охлаждаемого компрессора 27 позволяет осуществлять отделение диоксида углерода из смеси диоксида углерода с водяным паром и захоронение избыточного диоксида углерода или его поставку потребителю в сжатом виде. Это позволяет исключить выбросы диоксида углерода в атмосферу.

Результаты моделирования (фиг. 2) показали, что коэффициент использования тепла топлива (КИТТ) предлагаемой атомной энерготехнологической установки (обозначение 1) повысился по сравнению с прототипом (обозначение 2) на 10% за счет использования рекуперации тепла отходящих газов риформера, кроме того, в отличие от прототипа, атомная энерготехнологическая установка за счет наличия охладителя-сепаратора углекислого газа 26 и охлаждаемого компрессора 27 не выбрасывает при работе вредных веществ в атмосферу.

Использование изобретения позволяет повысить коэффициент использования тепла топлива (КИТТ) атомной энерготехнологической установки, реализовать возможность совместного производства электрической, тепловой энергии и водорода с регулированием нагрузки по каждому направлению, а также обеспечить отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу.

Изобретение относится к области химической промышленности и энергетики и направлено на повышение коэффициента использования тепла топлива (КИТТ), а также на совместное производство электрической, тепловой энергии и водорода с регулированием нагрузки - без выбросов вредных веществ в атмосферу. Атомная энерготехнологическая установка для выработки электроэнергии, тепловой энергии и водорода содержит компрессор, газоохлаждаемый ядерный реактор, газовую турбину, электрогенератор газового цикла, парогенератор, подогреватель питательной воды, насос питательной воды, риформер, печь риформера, многопоточный рекуператор, охладитель, адсорбер переменного давления, при этом вход компрессора выполнен с возможностью приема гелия, а выход компрессора соединен с входом газоохлаждаемого ядерного реактора, выход газоохлаждаемого ядерного реактора соединен с входом газовой турбины, соединенной механически с компрессором и с электрогенератором газового цикла. Кроме того, установка согласно изобретению также снабжена паровой турбиной, сетевым подогревателем с выходом на потребителя тепловой энергии, конденсатором, электрогенератором пароводяного цикла, насосом технологической воды, топливным компрессором, воздухоразделительной установкой, кислородным компрессором, рециркуляционным компрессором, углекислотным компрессором, высокотемпературным реактором, первым охладитель-сепаратором синтез-газа, вторым охладитель-сепаратором углекислого газа, охлаждаемым компрессором. 2 ил.

Атомная энерготехнологическая установка для выработки электроэнергии, тепловой энергии и водорода, содержащая компрессор, газоохлаждаемый ядерный реактор, газовую турбину, электрогенератор газового цикла, парогенератор, подогреватель питательной воды, насос питательной воды, риформер, печь риформера, многопоточный рекуператор, охладитель, адсорбер переменного давления, при этом вход компрессора выполнен с возможностью приема гелия, а выход компрессора соединен с входом газоохлаждаемого ядерного реактора, выход газоохлаждаемого ядерного реактора соединен с входом газовой турбины, соединенной механически с компрессором и с электрогенератором газового цикла, отличающаяся тем, что она снабжена паровой турбиной, сетевым подогревателем с выходом на потребителя тепловой энергии, конденсатором, электрогенератором пароводяного цикла, насосом технологической воды, топливным компрессором, воздухоразделительной установкой, кислородным компрессором, рециркуляционным компрессором, углекислотным компрессором, высокотемпературным реактором, первым охладитель-сепаратором синтез-газа, вторым охладитель-сепаратором углекислого газа, охлаждаемым компрессором, при этом выход газовой турбины соединен с входом горячей стороны парогенератора, выход которой соединен с входом компрессора и выполнен с возможностью подачи гелия, выход холодной стороны парогенератора соединен с входом паровой турбины, механически соединенной с электрогенератором, паровая турбина выполнена с четырьмя выходами, первый из которых соединен с первым входом конденсатора, второй – с входом сетевого подогревателя, третий – с первым входом подогревателя питательной воды, четвертый – с первым входом риформера, выход конденсатора соединен с входом насоса питательной воды, выход которого соединен со вторым входом подогревателя питательной воды, один из выходов которого соединен со вторым входом конденсатора, а другой выход - с входом парогенератора, первый выход сетевого подогревателя выполнен с возможностью подключения потребителя тепловой энергии, второй выход сетевого подогревателя соединен с третьим входом подогревателя питательной воды, второй вход риформера соединен с выходом рекуператора, третий вход риформера соединен с выходом печи риформера, четвертый вход риформера соединен с выходом насоса технологической воды, первый выход риформера соединен с горячей частью рекуператора, первый вход рекуператора соединен с выходом топливного компрессора, выполненного с возможностью подачи метана, второй вход рекуператора соединен с выходом кислородного компрессора, вход которого соединен с первым выходом воздухоразделительной установки, вход и второй выход которой соединены с атмосферой, третий вход рекуператора соединен с выходом рециркуляционного компрессора, четвертый вход рекуператора соединен с первым выходом высокотемпературного реактора, выходы рекуператора соединены со вторым входом риформера, первым, вторым, третьим и четвертым входами печи риформера, а также первым входом высокотемпературного реактора, выход печи риформера соединен с третьим входом риформера, ко второму выходу высокотемпературного реактора подсоединены последовательно соединенные охладитель, охладитель-сепаратор синтез-газа, выполненный с возможностью вывода воды в дренаж, адсорбер переменного давления, выполненный с возможностью отвода водорода, и вход рециркуляционного компрессора, вход охладителя-сепаратора углекислого газа соединен со вторым выходом риформера, при этом охладитель-сепаратор выполнен с возможностью отвода воды в дренаж, выход охладителя-сепаратора углекислого газа соединен с охлаждаемым компрессором, выполненным с возможностью подачи жидкой углекислоты потребителю, и с входом углекислотного компрессора, выход которого соединен с входом холодного контура охладителя, выход которого соединен со вторым входом высокотемпературного реактора.