ГлавнаяСтатьи → Ядерный парогазовый цикл – путь экономии углеводородных энергоресурсов

Ядерный парогазовый цикл – путь экономии углеводородных энергоресурсов

С.Б. Походяев, Ю.И. Аношкин, Ю.С. Походяева – ООО «Анод-ТЦ»

Начало XXI века стало переломным в осознании возможности энергетического кризиса. До этого всем казалось, что энергоресурсов хватит России, да и всему миру, на столетия. Большие запасы угля, нефти и газа, использование ядерной энергии это вполне подтверждали.

Сейчас наблюдается быстрый рост энергопотребления во всем мире, и особенно в развивающихся странах; при этом истощаются в первую очередь запасы нефти и газа. Перспективным источником энергии в данном случае могут являться атомные электростанции. Однако после аварии на Чернобыльской АЭС доверие к атомной энергетике снизилось, а темпы развития и распространения атомной энергетики уменьшились.

Сложившаяся ситуация требует научных и конструкторских решений в повышении эффективности использования энергоресурсов, в первую очередь органических — нефти и природного газа, запасы которых не возобновляются.

Для совершенствования термодинамических циклов энергетических установок необходимо увеличение кпд за счет повышения температуры подвода теплоты в цикле Т1 и понижения температуры отвода теплоты T2. Кроме того, повышение температуры перегрева пара способствует уменьшению влажности пара, а следовательно, увеличивает надежность работы турбины.

Рассмотрим возможность объединения в единый комплекс ядерной установки с паровой турбиной и газотурбинной установки, которые будут дополнять друг друга. Идея в принципе не нова и высказывалась еще на заре создания ЯЭУ, но тогда по ряду причин не нашла применения. Сейчас, когда экономия энергоресурсов и проблема повышения кпд становится все более актуальной, а конструктивные возможности возросли, эта тема выходит на первый план. Например, похожая ситуация сложилась в автомобильной промышленности, где создают экономичный гибрид привода из двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя.

И ядерная энергетическая установка, и газотурбинная установка имеют свои преимущества и недостатки. Рассмотрим их с учетом современных требований к обеспечению надежности, эффективности и экологической безопасности.

Ядерная установка — наиболее сложная и ответственная часть комплекса. Тепло в ЯЭУ отводится различными теплоносителями (газ, жидкий металл и т.д.), но наиболее отработанный и чаще применяемый в последнее время — это простая особо чистая вода, которая по своим совокупным свойствам (высокая теплоемкость, изученность, эффективность отвода тепла) превосходит все остальные. Однако при определенной температуре вода закипает, превращается в пар и образует двухфазный нестабильный поток, причем чем выше давление, тем выше температура кипения. Поэтому во всех водяных реакторах типа ВВЭР давление в корпусе поддерживают при работе не менее 150…160 атм. и температуру теплоносителя на выходе из АЗ не более 340 °С, что ограничивает давление и температуру пара паровой турбины, а значит и ее кпд. По такой схеме работают современные водоводяные реакторы, например давление в ПГ ВВЭР-1000 64 атм., а температура насыщенного пара 278,5 °С. Парогенератор ЯЭУ находится в защитном корпусе, выдает насыщенный пар максимального давления и работает при минимальных постоянных перепадах температур, что повышает надежность работы первого контура.

ГТУ энергетических установок по условиям работы на выходе имеют температуру продуктов сгорания около 550…600 С, что требует применения дополнительных устройств для использования этого тепла. В последнее время большое развитие получили парогазовые установки (ПГУ), когда на выхлопе газовой турбины устанавливается котел-утилизатор тепла для получения пара на дополнительную паровую турбину. Однако из-за разной теплоемкости продуктов горения и пароводяной смеси снимаемая мощность ограничена. Температура продуктов сгорания в ПГ на участке испарения падает быстро и приближается к температуре испарения. Это уменьшает температурный градиент и приводит либо к увеличению поверхности ПГ, либо к уменьшению снимаемой мощности. Иногда для обеспечения эффективности работы паровой турбины применяют пар нескольких давлений (высокое, среднее, низкое), что усложняет конструкцию самой турбины и систем, обеспечивающих ее работу.

Анализируя условия работы ЯЭУ, ПТУ и ГТУ можно прийти к выводу, что наиболее рациональна с термодинамической точки зрения организация испарителя в составе ЯЭУ, так как он работает там при небольших изменениях температуры, а пароперегревателя и экономайзера — в составе ГТУ на выхлопе газовой турбины (рис. 1). Это повысит температуру перегрева пара на входе в паровую турбину, приведет к рациональному распределению термодинамического цикла всей ядерной парогазовой установки (ЯПГУ) и повысит надежность работы его оборудования.

Объединение ядерной и газотурбинной установок позволяет решить многие из перечисленных проблем. Для примера рассмотрим работу ЯПГУ с современными реакторами КЛТ-40, ВБЭР-300 и ВВЭР-1000 (табл.).

Рис. 1. Q-T диаграмма получения пара в ЯПГУ
Ядерный реактор КЛТ-40 ВБЭР-300 ВВЭР-1000
Парогенератор:
–тепловая мощность, МВт;
– температура пара, °С
160
250,3
850
278,5
3000
278,5
Турбогенератор с паровой турбиной в ЯПГУ:
– электрическая мощность, МВт;
– температура пара, °С
~64
435
~400
480
~1400
420
Турбогенератор с газовой турбиной в ЯПГУ:
– тип турбины;
– электрическая мощность,
– температура газа на выходе, °С
ГТЭ-14ЭБР ГТЭ-65П GT-26
(ОАО «Моторостроитель»)
40
600
ГТЭ-65П GT-26
(проект, ОАО «Авиадвигатель»)
260
600
GT-26
(Alstom)
1060
640
Электрическая мощность ЯПГУ, МВт 104 660 2460

Анализ полученных данных показывает, что при такой схеме на предприятии «Анод — Тепло-обменный центр». Эти работы ведутся на предприятии уже более 15 лет, накоплен большой опыт проектирования и изготовления теплообменного оборудования для различных отраслей промышленности: регенераторов для ОАО «Газпром», аппаратов воздушного охлаждения для нефтеперерабатывающей промышленности, котлов–утилизаторов для энергетики и т.д.

Разработанные методики расчета геометрических и теплогидравлических характеристик позволяют получать оптимальные массогабаритные и стоимостные показатели теплообменного оборудования для различных сред и условий эксплуатации и были апробированы при испытаниях головных образцов.

Новизна конструкции теплообменной поверхности защищена патентами РФ.

Преимущества нового типа поверхности – это минимальные масса и габариты при повышенной надежности, обусловленной:

  • интенсивностью теплообмена при высокой турбулентности сред;
  • минимальным гидравлическим сопротивлением по контурам за счет выбора оптимальных скоростей теплоносителей;
  • высокой компактностью при использовании труб небольшого типоразмера, объединенных в модули;
  • использованием принципа противотока теплообменных сред;
  • самокомпенсацией змеевиками температурных расширений;
  • ремонтопригодностью, обеспеченной секционированием теплообменной поверхности.
  • Большое количество однотипных змеевиков и модулей позволило применить агрегатную технологию и максимально автоматизировать процесс изготовления. На предприятии был организован специализированный цех по выпуску теплообменных модулей, что позволило повысить качество и снизить их трудоемкость.

    Схема ядерного парогазового цикла (рис. 2) является 4–петлевой, с центром в ядерном реакторе. В каждую петлю входит: парогенератор, паровая и газовая турбина с расположенными в ее выхлопе пароперегревателем и экономайзером, и два электрогенератора. Тепло от ядерного реактора отво-дится в вертикальный парогенератор, в котором происходит получение насыщенного пара для паровой турбины. Конструкция парогенератора, который вместе с ЯР и ГЦН находится в прочном страховочном корпусе под биологической защитой, выполнена из шестигранных модулей со змеевиками малого радиуса гиба (фото 1). Аналогичная конструкция уже используется нами в кожухотрубчатых теплообменниках для нефтехимического производства. Конструкция отличается высокой надежностью и компактностью, что особенно важно для теплообменников первого контура.

    Рис. 2. Одна петля схемы ЯПГУ.
    ЯР — ядерный реактор;
    СК — страховочный корпус;
    исп — испаритель;
    эк — экономайзер;
    пп — пароперегреватель;
    Н — насос;
    АВО — аппарат воздушного охлаждения;
    ПТ — паровая турбина; ГТ — газовая турбина; ГК — газовый компрессор; К — конденсатор;
    С — сепаратор;
    э/г — электрогенератор
    Фото 1. Сборка трубной системы кожухотрубчатого аппарата (парогенератор)/td>

    Как видно из рис. 3, насыщенный пар из парогенератора поступает в пароперегреватель, расположенный в выхлопной шахте газовой турбины. Здесь происходит дополнительный нагрев пара примерно на 200 °С выше температуры насыщения, и пар становится перегретым. Над пароперегревателем расположен экономайзер, в котором питательная вода подогревается приблизительно на 100 °С и подается в парогенератор.

    Рис. 3. Ядерная парогазовая установка. Вид сбоку

    Фактически не загрязняя атмосферу СО2 и NОx, АЭС выбрасывают большое количество низкопотенциального тепла с конденсатора паровой турбины, что вызвано увеличенным расходом пара по причине его низких параметров. Однако постоянно увеличивающийся дефицит водных ресурсов приводит к стремлению минимизировать или вообще исключить забор воды для охлаждения конденсата паровой турбины.

    Именно поэтому все большее распространение получают сухие градирни. Для схемы ЯПГУ предлагается использование сухих градирен (аппаратов воздушного охлаждения), которые размещаются под единым куполом с реактором, паровой, газовой турбинами и вспомогательным оборудованием. Аппараты воздушного охлаждения производства ООО «Анод-ТЦ» (фото 2), уже успешно эксплуатируются на нефтеперерабатывающих предприятиях России. Конструкция теплообменника воздушного охлаждения, пароперегревателя и экономайзера состоит из однотипных кассет, набранных из плоских модулей (фото 3).

    Фото 2. Аппарат воздушного охлаждения
    Фото 3. Трубная система из плоских модулей (экономайзер, пароперегреватель, АВО)

    В заключение следует отметить, что предлагаемая компоновка ядерной парогазовой установки с теплообменным оборудованием, разработанным в ООО «Анод-ТЦ», позволяет создать электростанцию, которая будет надежно работать при значительной экономии энергоресурсов.

    ГТТ, ноябрь 2008