Атомный энерготехнологический комплекс и способ его эксплуатации

Изобретение относится к атомному энерготехнологическому комплексу. Комплекс содержит рекуперативный теплообменник 3, состыкованный с одной стороны с высокотемпературным электролизером 2, с другой стороны трубопроводом для пара с АЭС 1 и трубопроводами для водорода и кислорода с охладителем 8, блоки осушки 9 на трубопроводах для водорода и кислорода, отделитель воды 10 на трубопроводе для водорода после охладителя 8 и технологические электролизеры 14, подсоединенные к линии электрических связей 12. Причем технологический электролизер 14а через блок очистки 13 соединен с трубопроводом для водорода, а высокотемпературный электролизер 2 и технологические электролизеры 14 работают в базовом режиме, а низкотемпературный электролизер 4 работает в максимальном режиме в часы провала графика нагрузки потребителей и в минимальном режиме в часы максимума графика нагрузки потребителей. Отработанный пар после турбины АЭС направляют в высокотемпературный электролизер 2 через рекуперативный теплообменник 3, где его нагревают до рабочей температуры высокотемпературного электролизера 2 за счет тепла водорода и кислорода, выходящих из высокотемпературного электролизера 2. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности работы атомного энерготехнологического комплекса. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области атомноводородной энергетики и может быть использовано для получения электроэнергии, водорода и других химических продуктов как на действующих АЭС, так и при строительстве новых.

Уровень техники

Известен способ повышения маневренности и безопасности АЭС на основе теплового и химического аккумулирования (пат. РФ №2640409), по которому в ночные часы провала электрической нагрузки часть пара направляется в пароводяной теплообменник, где отдает тепло холодной воде, а за счет электролиза воды происходит аккумулирование невостребованной электроэнергии в виде водорода и кислорода.

Известен также способ повышения безопасности и технико-экономической эффективности работы АЭС в условиях неравномерного энергопотребления на основе водородно-теплового аккумулирования (пат РФ №2759559), который позволяет аккумулировать на АЭС во внепиковые часы невостребованную электрическую энергию в виде водородного топлива и горячей воды, с последующей выработкой дополнительной паровой турбиной в часы повышенной электрической нагрузки дополнительной электроэнергии. Недостатками указанных выше способов является низкая энергетическая эффективность аккумулирования энергии пара в виде горячей воды. А также необходимость использования дополнительной паровой турбины, работающей с большими перерывами по времени.

Известен способ повышения маневренности АЭС (пат. РФ №2529508) по которому в ночные внепиковые часы электрической нагрузки невостребованная электроэнергия аккумулируется в виде водорода и кислорода, а в пиковые часы электрической нагрузки в котле-утилизаторе генерируется пар, перегреваемый в пароводородном перегревателе и направляемый в дополнительную паровую турбину, вырабатывающую дополнительную электроэнергию. Недостатками данного способа являются низкая энергетическая эффективность преобразования электроэнергии в водород и его последующее сжигание с выделением тепла, а также наличие дополнительной паровой турбины с переменным графиком работы.

Известен способ работы энергоблока АЭС с водородной надстройкой и высокотемпературными электролизерами (патент РФ №2682723 оп. 22.08.2018 Бюл. №24), принятый за прототип, заключающийся в том, что в период минимума электрической нагрузки востребованную часть вырабатываемой электрической энергии направляют потребителю, другую часть используют для работы низкотемпературного и высокотемпературного электролизеров, а полученные водород и кислород после охлаждения в охладителе через компрессоры направляют в хранилища водорода и кислорода, воду из цеха химводоочистки направляют в низкотемпературный электролизер и в тепловую схему АЭС для восполнения потерь отборного пара, при этом вырабатываемые водород и кислород используют в водородо-кислородном парогенераторе для перегрева пара с целью получения дополнительной электроэнергии. Недостатками прототипа являются, во-первых, низкая энергетическая эффективность процесса преобразования электроэнергии в водород и кислород, сжигание водорода в кислороде с выделением тепла, снижение уровня этого тепла за счет сильного разбавления водяным паром и преобразование этого тепла в паровой турбине и электрогенераторе в электроэнергию. Во-вторых, периодическое направление пара более острых параметров на основную турбину АЭС приводит к изменению расчетных режимов ее работы, что не только снижает ее энергетическую эффективность, но может вызвать падение ресурса работы и уменьшение надежности вплоть до выхода из строя. Таким образом, данный способ использования такого ценного ресурса как водорода нельзя считать технологически и экономически оправданным.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение энергетической и экономической эффективности и надежности эксплуатации атомного энерготехнологического комплекса.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение экономической эффективности, улучшение эксплуатационных характеристик и надежности атомного энерготехнологического комплекса, заключающееся в его эффективном использовании для обеспечения промышленности и населения региона электроэнергией, снабжение водородом, кислородом и другими химическими продуктами при базовом режиме работы АЭС.

Технический результат достигается тем, что атомный энерготехнологический комплекс дополнительно содержит рекуперативный теплообменник 3, состыкованный с одной стороны с высокотемпературным электролизером 2, с другой стороны трубопроводом для пара с АЭС 1 и трубопроводами для водорода и кислорода с охладителем 8, блоки осушки 9 на трубопроводах для водорода и кислорода, отделитель воды 10 на трубопроводе для водорода после охладителя 8 и технологические электролизеры 14, подсоединенные к линии электрических связей 12, причем технологический электролизер 14а через блок очистки 13 соединен с трубопроводом для водорода, а также тем, что АЭС 1, высокотемпературный электролизер 2 и технологические электролизеры 14 работают в базовом режиме, а низкотемпературный электролизер 4 работает в максимальном режиме в часы провала графика нагрузки потребителей и в минимальном режиме в часы максимума графика нагрузки потребителей, отработанный пар после турбины АЭС направляют в высокотемпературный электролизер 2 через рекуперативный теплообменник 3, где его нагревают до рабочей температуры высокотемпературного электролизера 2 за счет тепла водорода и кислорода, выходящих из высокотемпературного электролизера 2, водород после охладителя 8 направляют в отделитель воды 10 и далее вместе с водородом из низкотемпературного электролизера 4 через осушитель 9 и компрессор 7 в хранилище водорода 6, а кислород смешивают с кислородом из низкотемпературного электролизера 4, осушенного в осушителе 9, и через компрессор 7 направляют в хранилище кислорода 5, воду из отделителя воды 10 возвращают в контур циркуляции паротурбинной установки АЭС 1, а режим работы высокотемпературного электролизера 2 поддерживают так, чтобы температура выходящих водорода и кислорода была на 20-40 градусов выше температуры водяного пара после рекуперативного теплообменника 3, исходные вещества 15 в технологических электролизерах 14 превращают в химические продукты, при этом в технологическом электролизере 14а образуется водород, который через блок очистки 13 направляют в трубопровод подачи водорода от высокотемпературного 2 и низкотемпературного 4 электролизеров и далее через блок осушки 9 и компрессор 7 в хранилище для водорода 6.

Краткое описание графических материалов

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом фигурой, где показано следующее:

1 - АЭС,

2 - высокотемпературный электролизер,

3 - рекуперативный теплообменник,

4 - низкотемпературный электролизер,

5 - хранилище кислорода,

6 - хранилище водорода,

7 - компрессор с электроприводом,

8 - охладитель,

9 - блок осушки,

10 - отделитель воды,

11 - цех химводоочистки,

12 - линии электрических связей с блоком питания и управления 12а и электропитанием от АЭС 126,

13 - блок очистки,

14а, 14б - технологические электролизеры,

15а, 15б - исходные вещества.

Осуществление изобретения

Атомный энерготехнологический комплекс, включающий энергоблок АЭС 1, низкотемпературный 4 и высокотемпературный 2 электролизеры, охладитель 8, компрессоры с электроприводом 7, хранилища водорода 6 и кислорода 5 и цех химводоочистки 11, трубопроводы для воды, пара, водорода и кислорода и линии электрических связей 12 дополнительно содержит рекуперативный теплообменник 3, состыкованный с одной стороны с высокотемпературным электролизером 2, с другой стороны трубопроводом для пара с АЭС 1 и трубопроводами для водорода и кислорода с охладителем 8, блоки осушки 9 на трубопроводах для водорода и кислорода, отделитель воды 10 на трубопроводе для водорода после охладителя 8 и технологические электролизеры 14, подсоединенные к линии электрических связей 12, причем технологический электролизер 14а через блок очистки 13 соединен с трубопроводом для водорода.

Атомный энерготехнологический комплекс работает следующим образом. В период минимума электрической нагрузки востребованную часть вырабатываемой электрической энергии направляют потребителю, другую часть через электропитание от АЭС 12б и линии электрических связей 12 с блоком питания и управления 12а используют для работы низкотемпературного 4, высокотемпературного 2 и технологических 14 электролизеров, а полученные водород и кислород после охлаждения в охладителе 8 через компрессоры 7 направляют в хранилища водорода 6 и кислорода 5, воду из цеха химводоочистки 11 направляют в низкотемпературный электролизер 4 и в тепловую схему АЭС 1 для восполнения потерь отборного для высокотемпературного электролизера 2 пара, при этом АЭС 1, высокотемпературный электролизер 2 и технологические электролизеры 14 работают в базовом режиме, а низкотемпературный электролизер 4 работает в максимальном режиме в часы провала графика нагрузки потребителей и в минимальном режиме в часы максимума графика нагрузки потребителей, отработанный пар после турбины АЭС направляют в высокотемпературный электролизер 2 через рекуперативный теплообменник 3, где его нагревают до рабочей температуры высокотемпературного электролиза 2 за счет тепла водорода и кислорода, выходящих из высокотемпературного электролизера 2, водород после охладителя 8 направляют в отделитель воды 10 и далее вместе с водородом из низкотемпературного электролизера 4 через осушитель 9 и компрессор 7 в хранилище водорода 6, а кислород смешивают с кислородом из низкотемпературного электролизера 4, осушенного в осушителе 9, и через компрессор 7 направляют в хранилище кислорода 5, воду из отделителя воды 10 возвращают в контур циркуляции паротурбинной установки АЭС 1, а режим работы высокотемпературного электролизера 2 поддерживают так, чтобы температура выходящих водорода и кислорода была на 20-40 градусов выше температуры водяного пара после рекуперативного теплообменника 3, исходные вещества 15 в технологических электролизерах 14 превращают в химические продукты, при этом в технологическом электролизере 14а образуется водород, который через блок очистки 13 направляют в трубопровод подачи водорода от высокотемпературного 2 и низкотемпературного 4 электролизеров и далее через блок осушки 9 и компрессор 7 в хранилище для водорода 6.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении заявленный результат достигается тем, что атомный энерготехнологический комплекс дополнительно содержит рекуперативный теплообменник 3, состыкованный с одной стороны с высокотемпературным электролизером 2, с другой стороны трубопроводом для пара с АЭС 1 и трубопроводами для водорода и кислорода с охладителем 8, блоки осушки 9 на трубопроводах для водорода и кислорода, отделитель воды 10 на трубопроводе для водорода после охладителя 8 и технологические электролизеры 14, подсоединенные к линии электрических связей 12, причем технологический электролизер 14а через блок очистки 13 соединен с трубопроводом для водорода и при этом эксплуатируется так, что АЭС 1, высокотемпературный электролизер 2 и технологические электролизеры 14 работают в базовом режиме, а низкотемпературный электролизер 4 работает в максимальном режиме в часы провала графика нагрузки потребителей и в минимальном режиме в часы максимума графика нагрузки потребителей, отработанный пар после турбины АЭС направляют в высокотемпературный электролизер 2 через рекуперативный теплообменник 3, где его нагревают до рабочей температуры высокотемпературного электролизера 2 за счет тепла водорода и кислорода, выходящих из высокотемпературного электролизера 2, водород после охладителя 8 направляют в отделитель воды 10 и далее вместе с водородом из низкотемпературного электролизера 4 через осушитель 9 и компрессор 7 в хранилище водорода 6, а кислород смешивают с кислородом из низкотемпературного электролизера 4, осушенного в осушителе 9, и через компрессор 7 направляют в хранилище кислорода 5, воду из отделителя воды 10 возвращают в контур циркуляции паротурбинной установки АЭС 1, а режим работы высокотемпературного электролизера 2 поддерживают так, чтобы температура выходящих водорода и кислорода была на 20-40 градусов выше температуры водяного пара после рекуперативного теплообменника 3, исходные вещества 15 в технологических электролизерах 14 превращают в химические продукты, при этом в технологическом электролизере 14а образуется водород, который через блок очистки 13 направляют в трубопровод подачи водорода от высокотемпературного 2 и низкотемпературного 4 электролизеров и далее через блок осушки 9 и компрессор 7 в хранилище для водорода 6.

Как показывают проведенные расчеты, для атомного энерготехнологического комплекса на базе реактора ВВЭР-1500 при среднестатистическом графике электрической нагрузки от - 400 МВт в минимуме до 1100 МВт в максимуме за сутки в электросеть поступает 18 ГВтч электроэнергии, производится 428 т водорода и 6850 т кислорода, при этом средний удельный расход электроэнергии для низкотемпературного и высокотемпературного электролизеров составляет 3,8 кВтч/нм³Н₂.

1. Атомный энерготехнологический комплекс, включающий энергоблок АЭС, низкотемпературный и высокотемпературный электролизеры, охладитель, компрессоры с электроприводом, хранилища водорода и кислорода и цех химводоочистки, а также трубопроводы для воды, пара, водорода и кислорода и линии электрических связей, отличающийся тем, что содержит рекуперативный теплообменник, состыкованный с одной стороны с высокотемпературным электролизером, с другой стороны трубопроводом для пара с АЭС и трубопроводами для водорода и кислорода с охладителем, блоки осушки на трубопроводах для водорода и кислорода, отделитель воды на трубопроводе для водорода после охладителя и технологические электролизеры, подсоединенные к линии электрических связей, причем технологический электролизер через блок очистки соединен с трубопроводом для водорода.

2. Способ эксплуатации атомного энерготехнологического комплекса, заключающийся в том, что в период минимума электрической нагрузки востребованную часть вырабатываемой электрической энергии направляют потребителю, другую часть используют для работы низкотемпературного и высокотемпературного электролизеров, а полученные водород и кислород после охлаждения в охладителе через компрессоры направляют в хранилища водорода и кислорода, воду из цеха химводоочистки направляют в низкотемпературный электролизер и в тепловую схему АЭС для восполнения потерь отборного пара, отличающийся тем, что АЭС, высокотемпературный электролизер и технологические электролизеры работают в базовом режиме, а низкотемпературный электролизер работает в максимальном режиме в часы провала графика нагрузки потребителей и в минимальном режиме в часы максимума графика нагрузки потребителей, отработанный пар после турбины АЭС направляют в высокотемпературный электролизер через рекуперативный теплообменник, где его нагревают до рабочей температуры высокотемпературного электролизера за счет тепла водорода и кислорода, выходящих из высокотемпературного электролизера, водород после охладителя направляют в отделитель воды и далее вместе с водородом из низкотемпературного электролизера через осушитель и компрессор в хранилище водорода, а кислород смешивают с кислородом из низкотемпературного электролизера, осушенного в осушителе, и через компрессор направляют в хранилище кислорода, воду из отделителя воды возвращают в контур циркуляции паротурбинной установки АЭС, а режим работы высокотемпературного электролизера поддерживают так, чтобы температура выходящих водорода и кислорода была на 20-40 градусов выше температуры водяного пара после рекуперативного теплообменника, исходные вещества в технологических электролизерах превращают в химические продукты, при этом в технологическом электролизере образуется водород, который через блок очистки направляют в трубопровод подачи водорода от высокотемпературного и низкотемпературного электролизеров и далее через блок осушки и компрессор в хранилище для водорода.