Спосіб виробництва електричної енергії з одночасним використанням теплоти, що виділяється при поділі ядерного палива та при згорянні вуглеводневого палива

Реферат: Спосіб виробництва електричної енергії полягає в тому, що в циклі паротурбінної установки (ПТУ) електростанції теплота, що виділяється в реакторі атомної електростанції (АЕС) підводиться до живильної води, внаслідок чого вода перетворюється на насичену або незначно перегріту пару. Для підвищення ККД АЕС насичена або незначно перегріта пара надходить у пароперегрівник, де до пари підводять теплоту від продуктів згоряння вуглеводневого палива, за рахунок чого у турбіну високого тиску прямує перегріта пара, з температурою, досяжною в ПТУ теплової електростанції (ТЕС), а не насичена або незначно перегріта пара, як у ПТУ АЕС. Далі після часткового розширення в турбіні пара надходить у проміжний перегрівник, де до пари також підводять теплоту від продуктів згоряння вуглеводневого палива. UA 102096 C2 (12) UA 102096 C2 UA 102096 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки, до якої належить винахід. Винахід належить до галузі енергетики та може бути застосовано в установках, які використовують для виробництва механічної або електричної енергії теплоту, що виділяється при поділі ядерного палива. Здебільшого винахід може бути використано на промислових атомних електростанціях (АЕС) великої потужності. Рівень техніки. У цей час більша частина електроенергії виробляється на теплових електростанціях (ТЕС) і АЕС. І ТЕС і АЕС мають свої переваги і недоліки, тому вони існують і розвиваються паралельно; жоден із цих типів електростанцій не витиснув іншої. Першим аналогом запропонованого способу є спосіб виробництва електроенергії на ТЕС із використанням паротурбінної установки (ПТУ). У котлі ПТУ до живильної води підводять теплоту від продуктів згоряння вуглеводневого палива (вугілля, нафтопродукти, природний газ, біомаса та ін.), у результаті чого вода перетворюється на перегріту пару з параметрами 20-30 МПа і 540-600 °C. Пара розширюється в турбінах до тиску конденсації 0,004-0,005 МПа, після чого конденсується. Після часткового розширення в турбінах пара повертається в котел, де перегрівається до початкової температури. Живильна вода, отримана в конденсаторі, стискується насосом і після регенеративного теплообміну з парою, що відбирають із турбін, надходить у котел і цикл замикається. Механічна енергія, отримана в результаті розширення пари в турбіні, використовується для виробництва електроенергії. Типовим представником ПТУ ТЕС є установка К-1200-240 (ЛМЗ) [1, 2]. Початкові параметри пари становлять 24 МПа і 540 °C, в установці використовується проміжний перегрів пари до початкової температури при тиску 3,6 МПа та регенеративний підігрів живильної води. Термічний ККД циклу становить 53,3 %. Цикл у координатах T, s зображений на Фіг. 1. Для простоти показані тільки три регенеративних відбори пари з дев'яти. Недоліком першого аналога є те, що високопотенційна енергія гарячих продуктів згоряння використовується для підведення теплоти як на високотемпературних ділянках циклу (початковий і проміжний перегрів пари), так і на низькотемпературних ділянках (підігрів живильної води й ізобара у двофазній або навколокритичної області). У результаті середня температура підведення теплоти в циклі істотно нижче максимальної температури робочого тіла, що негативно відбивається на термічному й ефективному ККД. Другим та найближчим аналогом запропонованого способу є спосіб виробництва електроенергії на АЕС із використанням ПТУ. Теплота, що виділяється в реакторі АЕС, передається теплоносієві, що циркулює через реактор. У поверхневому теплообміннику за межами реактора теплоносій віддає теплоту робочому тілу циклу ПТУ. У результаті підведення теплоти живильна вода перетворюється на насичену або небагато (на 10-20 °C) перегріту пару з тиском 7 - 8 МПа. Температура пари визначається максимально припустимою температурою в реакторі АЕС і перебуває на рівні 250 - 300 °C. Отримана пара розширюється в турбінах. Як правило, застосовується одно- або двоступенева сепарація пари після часткового розширення в турбінах для підтримки ступеня сухості пари наприкінці розширення в межах, прийнятних для лопаток турбін. Після розширення до тиску конденсації 0,004-0,005 МПа пара конденсується. Живильна вода, отримана в конденсаторі, стискується насосом і після регенеративного теплообміну з парою, що відбирають із турбін, надходить у поверхневий теплообмінник (в якому теплоносій віддає теплоту робочому тілу циклу ПТУ) і цикл замикається. Механічна енергія, отримана в результаті розширення пари в турбіні, використовується для виробництва електроенергії. Типовим представником ПТУ АЕС є установка General Electric N-series [3]. Початкові параметри пари становлять 7,03 МПа і 287,7 °C, в установці використовується двоступенева сепарація пари та регенеративний підігрів живильної води. Термічний ККД циклу становить 43,3 %. Цикл у координатах T, s зображений на Фіг. 2. Недоліком другого та найближчого аналога є низька початкова температура пари і, як наслідок, низька середня температура підведення теплоти та низький термічний ККД. Перелік фігур креслення. Фіг. 1. Термодинамічний цикл у координатах T, s ПТУ яка одночасно використовує теплоту, що виділяється при поділі ядерного палива та при згорянні вуглеводневого палива. 1-2 підведення теплоти від теплоносія, що циркулює через реактор АЕС. 2-3, 4-5 - підведення теплоти від газів, що відробили у ГТУ. Фіг. 2. Термодинамічний цикл у координатах T, s модифікованої ПТУ на базі ПТУ GE N-series та парової частини УКЦ GE 7 FA. 2-3 - підведення теплоти від теплоносія, що циркулює через реактор АЕС. 1-2, 3-4, 5-6 - підведення теплоти від газів, що відробили у газотурбінній установці (ГТУ). Суть винаходу та відомості, які підтверджують можливість здійснення винаходу (п.1 Формули винаходу). Технічною задачею, яку вирішує винахід є підвищення ККД ТЕС і АЕС. 1 UA 102096 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставлена задача розв'язується тим, що у запропонованому способі виробництва електричної енергії насичена пара, отримана в результаті теплообміну живильної води з теплоносієм, що циркулює через реактор АЕС, надходить у перегрівник, де до пари підводять теплоту від продуктів згоряння вуглеводневого палива. Параметри пари до і після перегрівника 7,03 МПа, 287,7 °C і 7,03 МПа, 540 °C відповідно. Отримана перегріта пара розширюється в турбіні до тиску 2,5 МПа, після чого надходить у проміжний перегрівник, де її температура підвищується до значення 540 °C за рахунок підводу теплоти від продуктів згоряння вуглеводневого палива. Далі пара розширюється в турбінах до тиску 0,004 МПа, потім вона конденсується. Живильна вода, отримана в конденсаторі, стискується насосом і після регенеративного теплообміну з парою, що відбирають із турбін, надходить на теплообмін з теплоносієм, що циркулює через реактор АЕС. Цикл замикається. Термічний ККД циклу становить 47,4 %. Якщо вважати, що теплота, яка виділяється в реакторі (63 % від загальної кількості підведеної теплоти), перетвориться в роботу з таким же термічним ККД, як і в АЕС-прототипі (43,3 %), тоді термічний ККД перетворення в роботу теплоти, що виділяється при згорянні вуглеводневого палива (37 % від загальної кількості підведеної теплоти), становить 54,4 %. Останнє значення на 2,1 % вище термічного ККД ПТУ ТЕС (53,3 %). З погляду термодинаміки зростання ККД може бути пояснене у такий спосіб. У реакторі АЕС виробляється низькопотенційна теплота, що може бути передана робочому тілу ПТУ тільки на низькотемпературних ділянках циклу. У результаті згоряння вуглеводневого палива виробляється високопотенційна теплота, але в звичайній ТЕС вона підводиться до робочого тіла ПТУ як на високо-, так і на низькотемпературних ділянках циклу. У запропонованій тепловій схемі на низькотемпературних ділянках циклу до робочого тіла ПТУ підводиться теплота, отримана в реакторі, а на високотемпературних ділянках - теплота, отримана при згорянні вуглеводневого палива. У ПТУ робота циклу практично дорівнює роботі турбін. З великим ступенем точності ефективний ККД відрізняється від термічного добутком внутрішнього відносного ККД турбін, механічного ККД турбін і ККД котла. Таким чином, відносне зростання ефективного ККД буде таким же, як і термічного. При використанні запропонованої теплової схеми, що поєднує в собі переваги АЕС і ТЕС можливо одержати більшу кількість електроенергії, ніж на роздільно працюючих АЕС і ТЕС при споживанні таких же кількостей ядерного і вуглеводневого палива. Схема не припускає внесення змін у реактор і теплообмінники АЕС. Теплообмінники, що працюють на продуктах згоряння вуглеводневого палива, є спрощеними паровими котлами ТЕС (без водяного і пароводяного барабанів та без випарних і опускних труб), тому немає необхідності розробляти нічого принципово нового. Дуже важливим є той факт, що в режимі часткового навантаження ККД перетворення в електричну енергію теплоти, що виділяється в реакторі АЕС і при згорянні вуглеводневого палива залишається практично незмінним. При повному припиненні підведення теплоти від продуктів згоряння вуглеводневого палива, теплота, що виділяється в реакторі АЕС може перетворюватися в електричну енергію з таким же ККД, як в АЕС - аналозі. У той же час ККД і ТЕС і АЕС - аналогів різко падає при переході в режим часткового навантаження. Капітальні витрати на будівлю модифікованої установки дорівнюють капітальним витратам на будівлю АЕС і ТЕС із відповідними значеннями теплової потужності. Внаслідок більш високого ККД капітальні витрати на кВт електричній потужності будуть менше для модифікованої установки. Спосіб може бути застосований на існуючих АЕС додаванням пароперегрівників, що працюють на вуглеводневому паливі, і заміною турбін високого та середнього тиску. Турбіни низького тиску (які є самими більшими та дорогими турбінами в ПТУ) не мають потреби в заміні. При цьому зберігається можливість експлуатації електростанції в режимі часткового навантаження як АЕС без використання пароперегрівників, що працюють на вуглеводневому паливі. Суть винаходу та відомості, які підтверджують можливість здійснення винаходу (п.2 Формули винаходу). Логічним продовженням способу є використання для перегріву пари теплоти газів, що відробили у ГТУ, аналогічно тому, як це робиться в установках комбінованого циклу (УКЦ). Типовим представником УКЦ є установка General Electric серії F [4 - 6]. Установка складається із ГТУ простого циклу і ПТУ, що утилізує теплоту газів що відробили у ГТУ. У зв'язку із принциповою відмінністю конфігурацій ізобар газів та води/пари, у циклі ПТУ пара генерується при трьох значеннях тиску. У противному випадку було б неможливо використати 2 UA 102096 C2 5 10 15 20 25 30 35 всю доступну теплоту газів. У циклі великі втрати від необоротності в процесах одержання пари і, як наслідок, термічний ККД лише 37,0 %. Для більше ефективного використання теплоти газів, що відробили у ГТУ, яка працює в складі УКЦ, можна здійснити цикл, зображений у координатах T, s Фіг. 2. На ділянках ізобар 1 2, 3 - 4, 5 - 6 теплоту підводять до робочого тіла (живильній воді та перегрітій парі) від газів, що відробили у ГТУ. На ділянці ізобари 2 - 3, теплоту підводять до робочого тіла (води, яка кипіть) від теплоносія, що циркулює через реактор АЕС. Ізобара живильної води та дві ізобари перегрітої пари майже точно еквідистантні ізобарі газів, що відробили у ГТУ. Тому втрати від необоротності в процесі передачі теплоти від газів до робочого тіла ПТУ мінімальні. Термічний ККД циклу становить 43,9 %. Якщо вважати, що теплота, що виділяється в реакторі (38,4 % від загальної кількості підведеної теплоти), перетвориться в роботу з таким же термічним ККД, як і в АЕС-прототипі (43,3 %), тоді термічний ККД перетворення в роботу теплоти, підведеної від газів, що відробили у ГТУ (61,6 % від загальної кількості підведеної теплоти), становить 44,3 %. Останнє значення на 19,7 % вище термічного ККД ПТУ із трьома тисками генерації пари (37,0 %) яка працює у складі УКЦ. Незважаючи на істотне зростання ККД теплова схема з використанням УКЦ має один істотний недолік. Порівняно невелика частина (близько 15 %) механічної енергії виробляється у результаті використання теплоти, що виділяється при поділі ядерного палива. Оскільки реактори АЕС мають велику агрегатну потужність, то потужність всієї електростанції може виявитися занадто великий, щоб її будівля була економічно виправдана. Альтернативно, буде потрібно використати реактор порівняно невеликої агрегатної потужності, а економічна виправданість його експлуатації також під сумнівом. Джерела інформації: 1. Гольстрем В.А., Кузнецов Ю.Л. Энергетический справочник инженера. – К.: Техніка, 1983. - 487 с. 2. Гольстрем В.А., Кузнецов Ю.Л. Справочник по экономии топливно -энергетических ресурсов. – К.: Техніка, 1985. - 384 с. 3. GE Energy. The Steam Turbine Products Brochure. http://www.gepower.com/prod_serv/products/steam_turbines/en/downloads/steam_brochure.pdf 4. Chase D.L. Combined-Cycle Development Evolution and Future / Chase D.L. http://www.gepower.com 5. Chuck Jones. Economic and technical considerations for combined-cycle performanceenhancement options / Chuck Jones, John A. Jacobs III. - http://www.gepower.com 6. Roberta Eldrid. The 7FB: The next evolution of the F gas turbine / Roberta Eldrid, Lynda Kaufman, Paul Marks. — http://www.gepower.com ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 1. Спосіб виробництва електричної енергії, який полягає в тому, що в циклі паротурбінної установки (ПТУ) електростанції теплота, що виділяється в реакторі атомної електростанції (АЕС) підводиться до живильної води, внаслідок чого вода перетворюється на насичену або незначно перегріту пару, який відрізняється тим, що насичена або незначно перегріта пара надходить у пароперегрівник, де до пари підводять теплоту від продуктів згоряння вуглеводневого палива, за рахунок чого у турбіну високого тиску прямує перегріта пара, з температурою, досяжною в ПТУ теплової електростанції (ТЕС), а не насичена або незначно перегріта пара, як у ПТУ АЕС; далі після часткового розширення в турбіні пара надходить у проміжний перегрівник, де до пари також підводять теплоту від продуктів згоряння вуглеводневого палива. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що продукти згоряння вуглеводневого палива є газами, які відробили у газотурбінній установці (ГТУ), а після теплообміну з парою, гази використовують для підігріву живильної води до стану насичення або стану, близького до насичення. 3 UA 102096 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП ―Український інститут промислової власності‖, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4