Способ работы энергоблока АЭС с водородной надстройкой и высокотемпературными электролизерами

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на паротурбинных установках атомных электрических станций (АЭС) двухконтурного типа с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР), в частности изобретение может быть применено на серийных и проектируемых отечественных энергоблоках АЭС.

Известны способы работы энергоблока АЭС с электролизерами (щелочные и с твердополимерными электролитами (ТПЭ)) [1], в которые подают воду и электроэнергию для получения водорода и кислорода.

Недостатком их работы являются повышенные удельные расходы электроэнергии на производство водорода.

Известен также способ работы энергоблока АЭС с высокотемпературным электролизером [1], в который подают пар и электроэнергию для получения водорода и кислорода.

Недостатком таких электролизеров является то, что для их работы требуется пар высокой температуры и для этого требуется дополнительный источник тепловой или электрической энергии.

Известен способ работы энергоблока АЭС с водородо-кислородным парогенератором (далее- ВКП) [2], где получают пар требуемых параметров за счет смешения пара, полученного в результате высокотемпературного горения водорода в кислородной среде с водой, который используется для получения дополнительной мощности в паротурбинной установке.

Недостатком такого способа является то, что полученный пар в ВКП используется только для получения дополнительной мощности в паротурбинной установке, однако этот пар можно использовать и для других целей.

Наиболее близким устройством является АЭС с водородной надстройкой [1], которая включает ядерный реактор, турбину, конденсатор и конденсационный насос, электролизер, хранилище водорода и кислорода и камеру сгорания, представляющая собой ВКП. Ядерный реактор может иметь различную конструкцию. Ядерный реактор соединен с камерой сгорания, которая подключена к турбине АЭС, все они соединены паропроводом. К турбине подключен конденсатор. Конденсационный насос соединен с конденсатором, ядерным реактором и электролизером посредством водопровода. Электролизер подключен газопроводом водорода и кислорода к их хранилищам, которые так же в свою очередь соединены с камерой сгорания.

Способ работы АЭС с водородной надстройкой согласно близкому устройству [1] осуществляется следующим образом, в период минимума графика электрической нагрузки получают водород и кислород в электролизерах, в которые подают воду посредством конденсационного насоса и запасают в хранилище. В период максимума электрической нагрузки, запасенный в хранилище водород и кислород подают в ВКП, в котором происходит смешение пара, полученного в результате высокотемпературного горения водорода в кислородной среде, с насыщенном паром от АЭС. В результате получают перегретый пар, который направляется на турбину АЭС.

Недостатком такого способа на основе близкого устройства, является повышенный удельный расход электроэнергии на электролиз воды, следовательно, снижение производства водорода и кислорода, что снижает выработку дополнительной электроэнергии на АЭС.

Технической проблемой является недостаточная эффективность работы энергоблока АЭС с водородной надстройкой, а именно: повышенный расход электроэнергии на электролиз, недостаточное количество производимого водорода и кислорода, следовательно, уменьшение дополнительно вырабатываемой электроэнергии в периоды максимума графиков электрической нагрузки АЭС.

Поставленная техническая проблема решается тем, что в способе работы энергоблока АЭС с водородной надстройкой, заключающемся в том, что в период минимума электрической нагрузки востребованную часть вырабатываемой электрической энергии направляют потребителю, другую часть, определяемую диспетчерскими ограничениями, используют для работы блока водородной надстройки; водород и кислород вырабатывают, по крайней мере, в одном пусковом электролизере (или в электролизерах установленных на АЭС в которых получают водород для охлаждения электрогенератора) и направляют в двухрежимный водородо-кислородный парогенегатор (далее-ДВКП), в который также подают пар с турбины и воду из цеха химводоочистки (вода в данном случае служит для охлаждения стенок ДВКП и после смешивается в камере смешения ДВКП с паром от турбины и паром полученным при сжигании водорода и кислорода) для выработки высокотемпературного пара, который направляют, по крайней мере, в один высокотемпературный электролизер, из которого одну часть полученных водорода и кислорода (после охлаждения в охладителях) через компрессоры направляют в хранилища водорода и кислорода, другую часть, необходимую для работы ДВКП, направляют в ДВКП, при этом пусковой электролизер отключают, и далее цикл повторяют без пускового электролизера, высокотемпературный электролизер остается в работе. В период максимума электрической нагрузки, запасенные в хранилище водород и кислород направляют в ДВКП, в который также подают воду из цеха химводоочистки, причем, в данном случае вода подается как для охлаждения стенок ДВКП, так и для ее преобразования в пар как рабочее тело, выработанный таким образом дополнительный пар направляют в турбину АЭС для получения дополнительной электрической мощности, при этом образовавшееся дополнительное количество воды в виде основного конденсата турбины через конденсатный насос направляют в бак-хранилище воды.

Согласно предпочтительному примеру выполнения способа работы энергоблока АЭС с водородной надстройкой и высокотемпературными электролизерами согласно изобретению заключается в том, что в период максимума в ДВКП дополнительно подают воду из бака-хранилища, а в период минимума - из бака-хранилища воды и/или цеха химводоочистки в пусковой электролизер и/или направляют в тепловую схему АЭС для восполнения потерь отборного пара.

Устройство для осуществления способа работы энергоблока АЭС с водородной надстройкой и высокотемпературными электролизерами согласно изобретению включает в себя турбину с электрогенератором и подключенным к ней конденсатором, цех химводоочистки, бак-хранилище воды, а также подключенные к электрогенератору, по крайней мере, один пусковой электролизер, по крайней мере, один высокотемпературный электролизер, по крайней мере, два компрессора (один для водорода и второй для кислорода) (выполнены с 2-3 ступенями сжатия и после каждой ступени установлен охладитель), конденсатный насос, ДВКП. При этом ДВКП связан посредством двух паропроводов с турбиной и двух водопроводов, один из которых связан с цехом химводоочистки, другой - с тепловой схемой АЭС через бак-хранилище, конденсатный насос и конденсатор. При этом пусковой электролизер связан с баком-хранилищем воды и/или с цехом химводоочистки, а также подключен посредством газопроводов водорода и кислорода к ДВКП. Высокотемпературный электролизер связан посредством паропровода с ДВКП и посредством газопроводов водорода и кислорода с ДВКП, а также через компрессоры водорода и кислорода с хранилищем водорода и кислорода, которое также подключено газопроводами водорода и кислорода к ДВКП.

Согласно предпочтительному примеру выполнения устройства согласно изобретению цех химводочистки и бак-хранилище объеденены в одном помещении.

Согласно предпочтительному примеру выполнения устройства согласно изобретению двухрежимная работа водородно-кислородного парогенератора обеспечивается путем изменения геометрии камеры смешения при помощи ковшовой заслонки.

Связь отличительных признаков на достижение технического результата заключается в том, что снижаются капиталовложения в АЭС с водородной надстройкой и высокотемпературными электролизерами за счет установки одного водородно-кислородного парогенератора вместо двух.

На чертеже представлена схема АЭС с водородной надстройкой.

Позициями обозначены: 1 - парогенератор, 2 - основная турбина АЭС, 3 - электрогенератор, 4 - конденсатор, 5 - конденсатный насос, 6 - пусковой электролизер (щелочной или с ТПЭ), 7 - высокотемпературный электролизер, 8 - цех химводоочистки, 9 - бак-хранилище, 10 - двухрежимный водородо-кислородный парогенератор (ВКП), 11 - электроприводной компрессор, 12 - хранилище водорода и кислорода, 13 - подогреватель высокого давления (ПВД), 14 - подогреватель низкого давления (ПНД), 15 - деаэратор; 16 - газоохладитель, 17, 18, 25, 26, 27, 29, 30, 32 - трубопроводы (водопроводы), 19, 20, 21, 22 - газопроводы водорода и кислорода, 23, 24, 28 - паропроводы, 31 - линии электрических связей через трансформаторы и преобразователи тока.

Тепловая схема АЭС включает в себя: парогенератор 1, основную турбину АЭС 2 с электрогенератором 3 и подключенным к ней конденсатором 4, подогревателями высокого 13 и низкого 14 давления, и цехом химводоочистки 8 подключенный водопроводом 29 к конденсатору 4, а также подключенный к электрогенератору 3 электроприводный конденсационный насос 5 (питаемый от электрических соединений собственных нужд АЭС).

Водородная надстройка включает, по крайней мере, один пусковой электролизер 6, один высокотемпературный электролизер 7, два электроприводных компрессора 11 водорода и кислорода, один двухрежимный водородо-кислородный парогенератор 10 (с электрическим поджигом), подключенные к электрогенератору 3, питаемому от электрических связей собственных нужд АЭС 31, а также один бак-хранилище 9, и газоохладители 16 водорода и кислорода (за ВКП и за компрессорами).

Пусковой электролизер 6 связан с баком-хранилищем 9 воды и/или с цехом химводочистки 8 посредством трубопроводов 17 и 18, а также подключен посредством газопроводов водорода и кислорода 19 к двухрежимному водородо-кислородному парогенератору 10.

Высокотемпературный электролизер 7 связан посредством паропровода 28 с двухрежимным водородо-кислородным парогенератором 10 и посредством газопроводов водорода и кислорода 20 с двухрежимным водородо-кислородным парогенератором 10, а также через газоохладители 16 - электроприводные компрессоры 11 - газоохладители 16 водорода и кислорода с хранилищем водорода и кислорода 12 газопроводом водорода и кислорода 21, который также подключен газопроводами водорода и кислорода 22 к двухрежимному водородо-кислородному парогенератору 10.

В газоохладителях водорода и кислорода 16 водород и кислород охлаждается за счет подачи воды из тепловой схемы АЭС по водопроводам 32, а затем нагретая вода возвращается обратно.

Двухрежимный водородо-кислородный парогенератор 10 связан посредством паропроводов 23 и 24 с тепловой схемой АЭС и двух водопроводов 25 и 26, один из которых связан с цехом химводоочистки 8, другой - с тепловой схемой АЭС посредством конденсатного насоса 5 по водопроводу 30 через бак-хранилище 9.

Двухрежимная работа водородно-кислородного парогенератора 10 обеспечивается путем изменения геометрии камеры смешения при помощи ковшовой заслонки.

Бак-хранилище 9 располагается в совмещенном цеху химводоочистки 8, который в свою очередь совмещен с тепловой схемой АЭС через водопровод 27.

В том случае, если на АЭС имеется электролизный цех, в котором установлены электролизеры получающие водород и кислород для охлаждения генератора, то они могут служить в качестве пускового электролизера 6. При этом высокотемпературный электролизер 7 располагается в данном электролизном цеху.

Способ работы заявленного устройства осуществляют следующим образом. В период минимума электрической нагрузки полную нагрузку блока практически не снижают, так как вырабатываемую электрогенератором 3 электроэнергию основной турбины АЭС 2 расходуют на электролиз воды в электролизерах 6 и 7, которые располагают вблизи или на АЭС. В начальный период времени работает пусковой электролизер 6, в который подают очищенную воду из цеха химводоочистки 8 по водопроводу 18. Полученные водород и кислород в результате электролиза воды направляют в двухрежимный водородо-кислородный парогенератор 10 по газопроводам водорода и кислорода 19. В результате высокотемпературного горения водорода в кислородной среде получают высокотемпературный пар. В двухрежимный водородо-кислородный парогенератор подают пар по паропроводу 24 из тепловой схемы АЭС и воду для охлаждения стенок двухрежимного водородо-кислородного парогенератора по водопроводу 25 из цеха химводоочистки 8. В результате смешения высокотемпературного пара, пара из тепловой схемы турбины АЭС и воды для охлаждения стенок двухрежимного водородо-кислородного парогенератора, получают пар с температурой 800-1000°С и давлением незначительно выше атмосферного. Поэтому в период минимума электрической нагрузки объем камеры смешения водородо-кислородного парогенератора 10 увеличивают посредством ковшовой заслонки. Пар с температурой 800-1000°С направляют в высокотемпературный электролизер 7 по паропроводу 28, т.е. высокотемпературный электролизер включают в работу. В высокотемпературном электролизере 7 в результате электролиза пара получают водород и кислород. Из высокотемпературного электролизера 7 через газоохладители 16 часть 70-90% водорода и кислорода через электроприводной компрессор 11 и газоохладитель 16 по газопроводу водорода и кислорода 21 водород и кислород направляют в хранилище 12, где они запасаются, а другую, меньшую часть, 10-30%, направляют в двухрежимный водородо-кислородный парогенератор 10 по газопроводу водорода и кислорода 20. После этого отключают пусковой электролизер 6, а высокотемпературный электролизер 7 оставляют в работе. Потери отборного пара в тепловую схему АЭС восполняют очищенной водой, приготовленной в цеху химводоочистки 8, которую по водопроводу 29 подают в тепловую схему АЭС.

В период максимума электрической нагрузки запасенные (в период минимума электрической нагрузки) водород и кислород из хранилища 12 по газопроводу водорода и кислорода 22 направляют в двухрежимный водородо-кислородный парогенератор 10, объем камеры смешения при этом уменьшают посредством ковшовой заслонки. Пар с температурой 300-1000°С и давлением до 6 МПа и выше в двухрежимном водородо-кислородном парогенераторе 10 получают путем смешения пара, полученного в результате высокотемпературного горения водорода в кислородной среде с очищенной водой по водопроводу 25 и водой для охлаждения стенок двух режимного водородо-кислородного парогенератора по водопроводу 25 из цеха химводоочистки 8. Полученный пар по паропроводу 23 направляют в тепловую схему АЭС для получения дополнительной мощности, которая необходима для покрытия максимума электрической нагрузки. В результате подачи дополнительного количества пара в тепловой схеме АЭС образуется излишек рабочего тела в виде основного конденсата. Дополнительное количество основного конденсата после конденсатора 4, посредством конденсационного насоса 5 направляют в бак-хранилище 9 по водопроводу 30. Запасенную воду из бака-хранилища 9 могут направить в период максимума электрической нагрузки в двухрежимный водородо-кислородный парогенератор 10 по водопроводу 26, а в период минимума электрической нагрузки в пусковой электролизер 6 по водопроводу 17 или восполняют потери отборного пара в тепловой схеме АЭС по водопроводу 27. Таким образом, в период максимума электрической нагрузки бак-хранилище 9 не оказался переполненным. Для снижения недовыработки электрической мощности основной турбины за счет подачи пара на ДВПГ подают воду из тепловой схемы АЭС в газоохладители 16 по водопроводам 32, а затем нагретую воду подают обратно и смешивают с водой из тепловой схемы примерно с такими же параметрами по температуре.

Геометрические размеры камеры смешения водородо-кислородного парогенератора изменяют в период минимума и максимума графиков электрических нагрузок вследствие того, что пар имеет различный удельный объем при данных режимах работы водородной надстройки.

Предлагаемый способ заявленного устройства с отличительными признаками позволяет достичь следующего технического результата:

- снижение расхода электроэнергии на электролиз, путем применения высокотемпературных электролизеров;

- повысить производство водорода и кислорода за счет снижения удельного расхода электроэнергии на электролиз, следовательно, увеличить выработку дополнительной электрической энергии;

- снизить капиталовложения в АЭС с водородной надстройкой и высокотемпературными электролизерами, а именно использование двухрежимного водородо-кислородного парогенератора в место двух, сооружение в одном здании цеха химводоочистки и бака-хранилища по сравнению их расположения в отдельных зданиях.

Пример:

Удельный расход электроэнергии на производство водорода [2] составляет:

- щелочной электролизер (атмосферное давление) 4,5-5,4, кВт⋅ч/м³;

- электролизер с ТПЭ (повышенное давление) 4-4,5 кВт⋅ч/м³;

- высокотемпературный электролизер (атмосферное давление) 2,8-3, кВт⋅ч/м³.

Количество запасенного кислорода в течение 1 часа в хранилище при снижении мощности турбины на 200 МВт составит:

- щелочной электролизер (с учетом расхода электроэнергии на поршневые компрессоры водорода и кислорода) 42200-35450 м³;

- электролизер с ТПЭ (с учетом расхода электроэнергии на насос) 49940-44400 м³;

- высокотемпературный электролизер (с учетом расхода электроэнергии на поршневые компрессоры водорода и кислорода и недовыработку отборным паром) 55380-52000 м³.

Реальный удельный расход электроэнергии на затраченную электрическую мощность 200 МВт, отнесенный, к запасенному водороду в хранилище составит:

- щелочной электролизер 4,74-5,64 кВт⋅ч/м³;

- электролизер с ТПЭ 4,01-4,51 кВт⋅ч/м³;

- высокотемпературный электролизер 3,61-3,85 кВт⋅ч/м³.

Список используемых источников

1 Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. М.: Энергоатомиздат, 1984. 264 с.

2 Бебелин И.Н., Волков А.Г., Грязнов А.Н., Малышенко С.П. Разработка и исследование экспериментального водородо-кислородного парогенератора мощностью 10 МВт(т) // Теплоэнергетика. 1997. №8. С. 48-52.