ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ Советский патент 1994 года по МПК G21D1/00 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в современных энергосистемах для питания потребителей и компенсации пиковых нагрузок в энергетических сетях.

Цель изобретения - обеспечение стабильной работы во времени гидравлических насосов для подъема воды из нижнего гидроаккумулирующего резервуара в верхний и повышение таким путем эффективности работы гидроаккумулирующей электрической станции.

Предлагаемая гидроаккумулирующая электрическая станция показана на чертеже, где 1 - ствол шахты; 2 - нижний накопительный (гидроаккумулирующий) резервуар, выполненный в виде сети околоствольных горных выработок; 3 - верхний (поверхностный) гидроаккумулирующий резервуар; 4 - ядерный реактор; 5 - главный циркуляционный насос; 6 - парогенератор; 7 - паровая турбина; 8 - электрический генератор; 9 - конденсатор; 10 - питающий насос; 11 - гидравлический насос; 12 - гидравлическая турбина; 13 - электрический генератор; 14 - устройство вентиляции ядерного реактора; 15 - стволовый трубопровод для выдачи на поверхность газообразных продуктов вентиляции ядерного реактора; 16 - установка тонкой очистки и нейтрализации газообразных продуктов вентиляции реактора; 17 - вентилятор; 18 - вентиляционная труба; 19 - стволовой водопровод; 20 - стволовой водовод (водосброс) и 21 - поверхностный питающий насос (управляемая задвижка).

Предлагаемая гидроаккумулирующая электрическая станция состоит из следующих объектов, машин, аппаратов и устройств. С дневной поверхности под землю на заданную глубину (на нижний геодезический уровень) пройден один или несколько стволов 1, а под землей сооружен нижний гидроаккумулирующий резервуар 2. Ясно, что в качестве ствола 1 и нижнего резервуара 2 может использоваться ствол угольной или какой-либо другой шахты, выбывающей из эксплуатации после отработки месторождения, с сетью прилегающих к стволу капитальных горных выработок. На дневной поверхности оборудуется верхний гидроаккумулирующий резервуар (озеро или пруд) 3. Под землей на нижнем уровне установлена питающая атомная электрическая станция, включающая ядерный реактор 4, главный циркуляционный насос 5, парогенератор 6, паровую турбину 7 с электрическим генератором 8, конденсатор 9 и питающий насос 10. На нижнем уровне установлен один или несколько гидравлических насосов 11, а в специальной подземной гидроагрегатной камере на том же нижнем уровне (т. е. под землей) установлен электрогидрогенератор с гидравлической турбиной 12 и электрическим генератором 13. Электродвигатели гидравлических насосов 11 подключены к электрическому генератору 8 ядерной энергетической установки (электростанции), а выход электрического генератора 13 подается на поверхность из шахты и далее к сети внешних потребителей электрической энергии.

К ядерному реактору 4 подключено устройство вентиляции 14, к выходу которого подсоединен стволовой (проложенный по стволу шахты) трубопровод 15. На поверхности шахты трубопровод 15 подсоединен к установке тонкой очистки и нейтрализации продуктов вентиляции 16 ядерного реактора 4. Выход установки тонкой очистки 16 через вентилятор 17 подается в вентиляционную трубу 18.

К выходу насоса 11 подсоединен стволовой водопровод 19, который подается (поступает) в верхний (расположенный на поверхности шахты, например) гидроаккумулирующий резервуар 3. Кроме того, по стволу проложен водовод 20 от подземной гидроагрегатной камеры до верхнего резервуара 3, причем к последнему водовод 20 подсоединен с помощью питающего поверхностного насоса 21.

Предлагаемая гидроаккумулирующая электрическая станция работает следующим образом. После сооружения ствола шахты 1 и прилегающей к нему сети горных выработок, образующих нижний гидроаккумулирующий резервуар 2, а также подземных машинных камер, залов и сооружений (все они могут быть, разумеется, возведены путем соответствующей реконструкции горных выработок той или иной, выбывающей из эксплуатации, шахты), после обустройства поверхностных зданий и сооружений, в частности, после обустройства верхнего накопительного (гидроаккумулирующего) резервуара 3, а также после монтажа и отладки всего комплекса подземного и поверхностного оборудования запускают в работу ядерный реактор 4. С помощью главного циркуляцинного насоса 5 через реактор 5 и парогенератор 6 непрерывно прокачивается теплоноситель, чем обеспечивается отвод тепла из активной зоны реактора. Пар с парогенератора 6 поступает на паровую турбину 7, которая приводит во вращение электрический генератор 8. После конденсации в конденсаторе 9 с помощью питающего насоса 10 теплоноситель снова подается в парогенератор 6 базовой атомной электрической станции. Электрическая энергия с генератора 8 поступает на электродвигатель насосов 11, которые обеспечивают непрерывную и стабильную во времени выдачу воды из нижнего накопительного резервуара 2 в верхний резервуар 3. При появлении во внешней электрической сети пиковых нагрузок включается в работу гидравлическая турбина 12 с электрогенератором 13 или увеличивается их производительность (мощность) путем увеличения подачи воды на турбину 12 из верхнего гидроаккумулирующего резервуара 3. После гидравлической турбины 12 вода снова аккумулируется в сети горных выработок (в нижнем резервуаре 2).

Газообразные продукты работы ядерного реактора 4 с помощью устройства вентиляции 14 подаются в стволовой трубопровод 15 и далее на установку тонкой очистки и нейтрализации 16, откуда они вентилятором 17 подаются в вентиляционную трубу 18 и далее выбрасываются в атмосферу.

Таким образом, вода из нижнего гидроаккумулирующего резервуара 2, выполненного в виде сети околоствольных горных выработок, непрерывно поступает по стволовому водопроводу 19 на поверхность шахты и накапливается в верхнем резервуаре 3. Тем самым обеспечивается стабильная, а следовательно, наиболее эффективная и безопасная работа питающей (базовой) атомной электрической станции с энергетическим ядерным реактором 4. При необходимости покрытия в сети внешних потребителей пиковых нагрузок вода из верхнего резервуара 3 по стволовому водоводу 20 с помощью поверхностного питающего насоса 21 (в простейшем случае это может быть управляемая задвижка) подается на гидравлическую турбину 12 и далее аккумулируется в нижнем резервуаре 2.

П р и м е р. Пусть требуется создать гидроаккумулирующую станцию мощностью гидравлической турбины, равной 100000 кВт (Р_г=100000 кВт) для покрытия пиковых нагрузок в сети электропотребителей в течение 6 часов в сутки при глубине шахты 1000 м. Поскольку подземная атомная электростанция (базовая электростанция) работает непрерывно в стационарном (установившемся) режиме, то отношение мощности гидравлической турбины Р_г к мощности базовой электростанции (Р_б) должно быть равно относительной длительности работы гидравлической турбины в течение суток, т.е. Р_г:Р_б=24:6. Отсюда имеем, что мощность подземной атомной электрической станции для питания насосов должна быть 25000 кВт или с учетом КПД насосов (равного примерно 0,7) Р_б=3500 кВт.

Далее, для обеспечения электрической мощности гидравлической турбины 100000 кВт в шахту должно поступать примерно 10000 кг воды в секунду (1 Квт= 102 кгм). Поэтому для того, чтобы гидравлическая турбина в течение 6 часов обеспечивала выработку электроэнергии с мощностью 100000 кВт, в шахту (на заданную в данном случае глубину 1000 м) должно сбрасываться 216000000 кг воды, т.е. емкость верхнего и нижнего гидроаккумулирующих резервуаров (3 и 2 фиг. 1 соответственно) должна ориентировочно быть примерно того же порядка, т.е. около 200000 м³.

Если использовать в качестве гидравлических насосов, например, шахтные водоотливные насосы типа 12МС-7 (подача насоса 800 м³/час, напор - 1000 м и потребляемая мощность - 2900 кВт), то потребуется примерно 10 насосов для непрерывной выдачи воды из шахты (из нижнего гидроаккумулирующего резервуара в верхний).

Прикидочные расчеты и оценки, приведенные в данном примере, показывают, что создание подземной гидроаккумулирующей атомной электрической станции (ПГА АЭС) является вполне реальным на существующих и притом освоенных в серийном производстве машинах и агрегатах.

В результате практической реализации предлагаемой гидроаккумулирующей электрической станции обеспечивается повышение надежности и эффективности электроснабжения внешних потребителей за счет адекватного покрытия в их сети пиковых нагрузок и колебаний графика энергопотребления. Это достигается за счет использования экологически чистых и эффективных источников энергии - ядерной энергии в комплексе с гидроэнергией, последняя из которых является наиболее экологически чистой и полностью возобновляемой.

Кроме того, реализация предлагаемого технического решения обеспечивает возможность эффективного использования подземного пространства многочисленных угольных и других шахт, выбывающих из эксплуатации в результате отработки запасов полезного ископаемого, при одновременном повышении безопасности применения энергетических ядерных установок.

Сущность изобретения: гидроаккумулирующая станция выполнена в виде шахты с одним или несколькими стволами, в которой базовая (питающая) станция содержит атомную энергетическую установку, размещенную вместе с гидравлическими насосами и электрогидрогенераторами под землей на нижнем уровне. Нижний гидроаккумулирующий резервуар выполнен в виде сети околоствольных горных выработок и соединен с верхним резервуаром стволовыми водопроводами, а электродвигатели насосов подключены к турбоэлектрическому генератору реакторной установки. 1 ил.

ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ, включающая питающую электростанцию, нижний и верхний гидроаккумулирующие резервуары, гидравлические насосы с электродвигателями и электрогидрогенераторы, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения стабильной работы во времени гидравлических насосов для подъема воды из нижнего гидроаккумулирующего резерва в верхней, она выполнена в виде шахты с одним или несколькими стволами и сетью околоствольных горных выработок, образующих нижний гидроаккумулирующий резервуар, а питающая электростанция выполнена с энергетической ядерной реакторной установкой и турбоэлектрическим генератором, которая вместе с гидравлическими насосами и электрогидрогенераторами установлена под землей, причем электродвигатели насосов подключены к турбоэлектрическому генератору ядерной реакторной установки, выходы гидравлических насосов через стволовые выходные водопроводы подключены к верхнему гидроаккумулирующему резервуару, входы гидравлических турбин электрогидрогенераторов подсоединены к верхнему гидроаккумулирующему резервуару через питающие стволовые водопроводы, а к электрогидрогенераторам подсоединены потребители электрической энергии.