Результат интеллектуальной деятельности: Способ повышения мощности и безопасности энергоблока АЭС с реактором типа ВВЭР на основе теплового аккумулирования

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования на двухконтурных атомных электрических станциях (АЭС) с водоохлаждаемыми реакторами.

Известен способ повышения мощности двухконтурного атомного энергоблока (см. патент RU 2449391 С2, МПК - G 21 D 5/06, Бюл. № 12, опубл. 27.04.2012). Суть изобретения состоит в использовании дополнительного теплообменника, подключенного в первый контур после парогенератора. Теплообменник подогревает питательную воду до температуры близкой к температуре насыщения перед подачей ее в парогенератор. Изобретение позволяет увеличить мощность ядерного реактора за счет понижения температуры теплоносителя на входе в активную зону.

Недостатком является наличие дополнительного теплообменника первого контура, так как конструктивные изменения первого контура нежелательны и не могут быть полностью безопасны для АЭС. Также, как следствие, увеличивается расход пара на основную паротурбинную установку (ПТУ), что приводит к ее дорогостоящей модернизации.

Известна принципиальная схема комбинирования энергоблока АЭС с системой аккумулирования тепловой энергии (САТЭ) (см. Щуклеинов А.П. Разработка комплекса управления мощностью энергоблока АЭС с ВВЭР с использованием системы аккумулирования тепловой энергии: Автореф. дис... к-та техн. наук: 05.14.03. - Санкт-Петербург, 2017. - 23 с.) Согласно этой схеме, посредством отбираемого из основного потока после парогенератора свежего пара происходит нагрев масляного теплоносителя. Нагретый масляный теплоноситель накапливается в баках и при необходимости возвращает теплоту в основной цикл, частично вытесняя регенеративные подогреватели, что позволяет увеличить мощность основной ПТУ.

К основным недостаткам можно отнести увеличение расхода пара в цилиндрах и конденсаторе ПТУ, что приводит к ее дорогостоящей модернизации; установку дорогостоящих объемных баков хранения аккумулирующего носителя. Кроме того, данная система никак не может быть использована для повышения безопасности АЭС.

Наиболее близким аналогом является энергетическая установка (см. авт. свид. СССР на изобретение №1133428, МПК F 01 К 17/00; 13/00, опубл. 07.01.1985 г.), содержащая подключенный к линии подачи острого пара из парогенератора в основную турбину аккумулятор фазового перехода (АФП) и бак горячей воды (БГВ), в которых в период уменьшения нагрузки аккумулируется тепловая энергия. В часы пиковых нагрузок горячая вода из БГВ подается по трубопроводу в АФП, где генерируется пар, служащий рабочим телом для дополнительной паровой турбины, предназначенной для получения дополнительной пиковой мощности.

Недостатком известной установки является установка дорогостоящего, обладающего большими габаритами бака горячей воды. Кроме того, она предназначена для повышения маневренности энергоблока атомной электростанции и не может быть использована для расхолаживания реактора при полном обесточивании атомной электростанции, так как пар генерируемый за счет остаточного тепловыделения не может использоваться в дополнительной паровой турбине, а аккумулированного тепла не может быть достаточно для расхолаживания в течение 72 часов (время, требуемое МАГАТЭ). Кроме того, дополнительная паровая турбина отключается вне пикового режима работ - длительность запуска паровой турбины делает невозможным использование ее для расхолаживания во время простоя, даже при наличии заряженного аккумулятора фазового перехода.

Задачей изобретения является повышение мощности и безопасности энергоблоков двухконтурных АЭС с реакторами типа ВВЭР.

Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является выработка дополнительной электроэнергии на энергоблоке АЭС посредством использования теплового аккумулятора и дополнительной паротурбинной установки, способных обеспечить надежное электроснабжение собственных нужд АЭС в аварийных ситуациях, сопровождаемых полным обесточиванием.

Указанный технический результат достигается за счет того, что на АЭС, содержащей реактор, парогенератор (ПГ), главный циркуляционный насос (ГЦН), основную ПТУ, конденсатор основной ПТУ, подогреватели низкого (ПНД) и высокого (ПВД) давления, деаэратор, устройства парораспределения (УП1, УП2), дополнительную ПТУ, конденсатор дополнительной ПТУ, тепловой аккумулятор (ТА), причем парогенератор, ТА и УП2 соединены с УП1 паропроводами, основная и дополнительная ПТУ соединены с УП2 посредством паропроводов, тракт конденсата дополнительной ПТУ посредством трубопроводов подключен к тракту конденсата основной ПТУ перед ПНД, ТА подключен к тракту питательной воды основной ПТУ после ПВД посредством прямого и обратного трубопроводов, в ночные часы провала электрической нагрузки, согласно изобретения, часть свежего пара направляется в ТА, нагревая рабочее тело аккумулятора, после чего, сконденсировавшись, направляется в тракт питательной воды основной ПТУ после ПВД, при этом часть свежего пара направляется в дополнительную турбину, для подержания ее в рабочем состоянии; в часы повышенной электрической нагрузки питательная вода или часть ее после ПВД направляется в ТА, где нагревается, после чего вновь возвращается в тракт питательной воды, повышая ее температуру, в следствии чего увеличивается расход получаемого пара при той же мощности реактора и парогенератора, избыток получаемого пара направляется на дополнительную ПТУ, работающую на генерацию электроэнергии, конденсат дополнительной ПТУ смешивается с конденсатом основной ПТУ перед ПНД; при этом, в ситуациях с обесточиванием дополнительная ПТУ продолжает генерировать электроэнергию на собственный нужды АЭС, используя пар, получаемый в ПГ за счет энергии остаточного тепловыделения реактора, избыток пара направляется на ТА, подогревая его рабочее тело, накопленное тепло которого, можно будет использовать для подогрева питательной воды, когда появится недостаток энергии остаточного тепловыделения.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где показана схема повышения мощности и безопасности энергоблока АЭС с реактором типа ВВЭР на основе теплового аккумулирования.

Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - реактор; 2 - ПГ; 3 - УП1; 4 - УП2; 5 - основная ПТУ; 6 - дополнительная ПТУ; 7 - электрические генераторы; 8 - конденсатор дополнительной ПТУ; 9 - конденсатный насос дополнительной ПТУ; 10 - конденсатор основной ПТУ; 11 - конденсатный насос основной ПТУ; 12 - ПНД; 13 - деаэратор; 14 - питательный насос; 15 - ПВД; 16 - конденсатный насос ТА; 17 - дожимной насос питательной воды; 18 - ТА; 19 - ГЦН.

Сущность изобретения заключается в установке на АЭС теплового аккумулятора 18 и дополнительной маломощной паротурбинной установки 6. Питательную воду предлагается после ПВД 15 подогревать в ТА 18, что позволит получить дополнительный расход пара при той же мощности реактора 1 и парогенератора 2. Дополнительный расход пара может быть использован в дополнительной ПТУ 6, что позволит не перегружать основную ПТУ 5. Кроме того, дополнительная ПТУ 6 может быть использована в ситуациях с обесточиванием для электроснабжения собственных нужд АЭС посредством использования энергии остаточного тепловыделения реактора 1. ТА 18 может быть использован для аккумулирования избытка энергии остаточного тепловыделения и использования ее при уменьшении остаточного энерговыделения для увеличения температуры питательной воды, идущей в парогенератор 2 и, как следствие, увеличения расхода пара на дополнительную ПТУ 6. В качестве рабочих тел теплового аккумулятора могут быть использованы твердые, жидкие, газообразные, материалы, обладающие скрытой теплоту фазового перехода; вещества, такие как камни, масла, газы, эвтектические соли.

В эксплуатационном режиме теплоноситель первого контура после ПГ 2 посредством ГЦН 19 подается в активную зону реактора 1, откуда, нагревшись, направляется в ПГ 2. В период ночного провала электрической нагрузки часть свежего пара направляется через УП1 3 в ТА 18, где пар отдает часть тепла аккумулирующему веществу, заполняющему ТА 18. Конденсат свежего пара посредством конденсатного насоса 16 направляется в тракт питательной воды основной ПТУ 5 (на электрогенераторе 7 которой вырабатывается электроэнергия) после ПВД 15. Дополнительная ПТУ 6 поддерживается в состоянии горячего резерва посредством отбора малой части свежего пара через УП2 4.

В режиме повышенных нагрузок конденсат отработавшего пара после конденсаторов 8 и 10 направляется посредством конденсатных насосов соответственно 9 и 11 в подогреватели низкого давления 12 и деаэратор 13, после чего питательная вода посредством питательного насоса 14 подается в ПВД 15. После ПВД 15 питательная вода поступает в ТА 18, где нагревается за счет аккумулированного тепла, после чего вновь поступает в тракт питательной воды перед парогенератором 2. Для компенсации потерь в ТА 18 используется дожимной насос 17. При этом за счет уменьшения разницы температур на входе и выходе из парогенератора 2 при той же мощности реактора 1 и парогенератора 2 генерируется избыток свежего пара, который направляется на дополнительную ПТУ 6, на электрогенераторе 7 которой вырабатывается электроэнергия.

В аварийных ситуациях, сопровождаемых обесточиванием, дополнительная ПТУ 6 продолжает генерировать электроэнергию на собственные нужды АЭС, используя пар, получаемый в ПГ 2 за счет энергии остаточного тепловыделения реактора 1. При этом в ТА 18 поступает избыток пара, подогревает аккумулирующее вещество, после чего сконденсировавшись направляется в тракт питательной воды, подогревая ее, и повышая таким образом генерируемый в ПГ 2 расход пара. Аккумулированное в ТА 18 тепло можно использовать для подогрева питательной воды, когда энергии остаточного тепловыделения станет недостаточно для генерации необходимого количества пара.

Отличительным признаком способа повышения мощности и безопасности энергоблока АЭС с реактором типа ВВЭР на основе теплового аккумулирования, является выработка дополнительной электроэнергии на АЭС в эксплуатационном режиме посредством использования теплового аккумулятора и дополнительной паротурбинной установки, способных обеспечить надежное электроснабжение собственных нужд АЭС в аварийных ситуациях, сопровождаемых полным обесточиванием. При этом не требуются дорогостоящие конструктивные изменения первого контура и основной ПТУ; конденсат греющего аккумулирующее вещество пара используется в цикле, а не запасается в дорогостоящих и громоздких баках горячей воды; время расхолаживания значительно увеличивается за счет возможности аккумулировать избыток энергии остаточного тепловыделения.