Теплоэнергетическая система с газоохлаждаемым реактором

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики с использованием ядерных реакторов в качестве высокотемпературных источников теплоты, двигателей Стирлинга и предназначено в качестве комбинированных энергоустановок для автономных объектов. Тепло из реактора 3 отводится с помощью газообразного теплоносителя (гелия), циркулирующего по контуру 1. Полученную высокотемпературную теплоту двигатель Стирлинга 5 преобразует в механическую энергию, с помощью которой приводится в работу электрогенератор 22, с получением электрической энергии. Для охлаждения двигателя 5 предусмотрен контур охлаждения 17 с теплообменником-охладителем 20. Образующийся в парогенераторе 7 пар перегревается с повышением давления в теплообменнике-подогревателе 6. В турбине 9 пар расширяется и совершает полезную работу, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 10. Из конденсатора 11 конденсат поступает в пароводяной насос-подогреватель 12, куда одновременно с конденсатом поступает пар по линии 13 через регулирующий клапан 14. В пароводяном насосе-подогревателе 12 происходит интенсивное перемешивание пара и конденсата с последующим получением подогретого конденсата с высокими температурой и давлением. За счет этого давления происходит подача подогретого конденсата в парогенератор 7. Для регулирования направления движения пара устанавливаются обратные клапана 15 и 16. Теплообменник-охладитель 20 связан с конденсатором 11 системой внешнего теплоснабжения 21. Изобретение позволяет повысить КПД установки, уменьшить энергозатраты на собственные нужды и обеспечить возможность одновременного получения электроэнергии и тепла. 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики с использованием ядерных реакторов в качестве высокотемпературных источников теплоты, двигателей Стирлинга и предназначено в качестве комбинированных энергоустановок для автономных объектов.

Известен способ регенеративного подогрева питательной воды в струйном подогревателе, включающий в себя подачу пара в турбогенератор, отбор пара из турбогенератора, отвод в конденсатор, подачу конденсата из конденсатора и пара, отобранного из турбогенератора в струйный аппарат с конденсацией пара в струйном аппарате и нагрева, за счет этого конденсата, с последующей подачей подогретого конденсата в диаэратор и далее в котел-парогенератор (Патент РФ N 2115831. Бюл. N 20 от 20.07.98).

Известно устройство пароводяного насоса-подогревателя (ПНП), предназначенного для применения в различных промышленных технологий с использованием пара, совмещающего в себе функции подогревателя и насоса одновременно. Применение ПНП позволяет существенно сократить расход электроэнергии на собственные нужды и уменьшить массогабаритные характеристики теплообменных аппаратов ("Энергетика Петербурга" /газета/, N 5 (11), от 25.05.99). Однако ранее пароводяной насос-подогреватель в ядерных теплоэнергетических комбинированных установках не применялся.

Известно устройство двигателя Стирлинга, содержащее камеру сгорания, нагреватель, регенератор, холодильник, поршневую группу и привод (Г. Ридер., Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. М., Изд. "Мир", 1986, стр. 55).

Известна схема энергетического реактора с газовым теплоносителем, включающая в себя газоохлаждаемый ядерный реактор, контур газообразного теплоносителя с компрессором (газодувкой), проходящего через реактор и парогенератор, контур паротурбинной установки, содержащей парогенератор, паровую турбину, конденсатор и насос питательной воды (Дж. Боуэн, Е. Мейстерс. Управление ядерными реакторами. - М.: Госатомиздат, 1961, стр. 11). Однако, в данном решении не указано, как используется полезная работа, получаемая на валу турбины, а также для привода питательного насоса необходимо затрачивать электрическую энергию.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД установки, уменьшении энергозатрат на собственные нужды и возможности одновременного получения электроэнергии и тепла.

Для достижения этого технического результата теплоэнергетическая система с газоохлаждаемым реактором, включающая в себя газоохлаждаемый ядерный реактор, контур газообразного теплоносителя с компрессором (газодувкой), проходящего через реактор и парогенератор, контур-паротурбинной установки, содержащей парогенератор, паровую турбину, конденсатор, снабжена двигателем Стирлинга с электрогенератором на одном валу, расположенным перед контуром паротурбинной установки, через нагреватель которого проходит контур газообразного теплоносителя, в качестве которого используется гелий, и имеющего контур охлаждения с насосом и теплообменником-охладителем, при этом в контур паротурбинной установки введены теплообменник-подогреватель пара, расположенный перед парогенератором и через который проходит контур газообразного теплоносителя, электрогенератор, расположенный на одном валу с турбиной, пароводяной насос-подогреватель, расположенный между конденсатором и парогенератором, и линия подачи пара с регулирующим клапаном, соединяющей контур паротурбинной установки, между теплообменником подогревателем пара и турбиной с пароводяным насосом-подогревателем, при этом между теплообменником-подогревателем, парогенератором и пароводяным насосом-подогревателем установлены обратные клапаны, а теплообменник-охладитель контура охлаждения двигателя связан с конденсатором паротурбинной установки системой внешнего теплоснабжения.

Введение в состав теплоэнергетической системы с газоохлаждаемым реактором, двигателя Стирлинга с электрогенератором на одном валу и расположенных в контуре паротурбинной установки теплообменника-подогревателя пара, пароводяного насоса-подогревателя, линии подачи пара с регулирующим клапаном, соединяющей участок контура, между теплообменником-подогревателем и турбиной, с пароводяным насосом-подогревателем, и электрогенератора на одном валу с турбиной, а также системы внешнего теплоснабжения, связывающей контур охлаждения двигателя с конденсатором паротурбинной установки, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности получения электроэнергии в электрогенераторах, связанных с двигателем Стирлинга и турбиной, использования пара для замены насоса питательной воды, предварительного подогрева конденсата пара перед парогенератором и возможности одновременного получения электроэнергии и тепла.

На чертеже изображена теплоэнергетическая система с газоохлаждаемым реактором.

Теплоэнергетическая система включает в себя контур газообразного теплоносителя 1 с компрессором 2, подходящим через газоохлаждаемый реактор 3, а также через нагреватель 4 двигателя Стирлинга 5, теплообменник-подогреватель пара 6 и парогенератор 7. Кроме теплообменника-подогревателя 6 и парогенератора 7, в контур паротурбинной установки 8 входят также турбина 9 с электрогенератором 10 на одном валу, конденсатор 11, пароводяной насос-подогреватель 12, линия подачи пара 13 с регулирующим клапаном 14, связывающая участок между теплообменником-подогревателем пара 6 и турбиной 9, с пароводяным насосом-подогревателем 12. Между теплообменником-подогревателем 6, парогенератором 7 и пароводяным насосом-подогревателем 12 установлены обратные клапаны, соответственно 15, 16. Двигатель Стирлинга 5 содержит контур охлаждения 17, проходящий через холодильник 18, с насосом 19 и теплообменником-охладителем 20. Для снятия тепловых нагрузок предусмотрена система внешнего теплоснабжения 21, проходящая сначала через теплообменник-охладитель 20, а затем через конденсатор 11. На одном валу с двигателем Стирлинга 5 расположен электрогенератор 22.

Теплоэнергетическая система с газоохлаждаемым реактором работает следующим образом.

Тепло, возникшее при делении ядер и генерируемое внутри реактора 3, отводится с помощью газообразного теплоносителя (гелия) и по контуру 1 передается сначала в нагреватель 4 двигателя Стирлинга 5. Полученную высокотемпературную теплоту двигатель Стирлинга 5 преобразует в механическую энергию, с помощью которой приводится в работу электрогенератор 22, с получением электрической энергии. Для охлаждения двигателя 5 предусмотрен контур охлаждения 17, по которому циркулирует охлаждающая жидкость с помощью насоса 19 через холодильник 18 и теплообменник-охладитель 20, тепловая нагрузка с которого снимается системой внешнего теплоснабжения 21. После выхода из нагревателя 4 горячий газообразный теплоноситель поступает в теплообменник-подогреватель 6, а затем в парогенератор 7, где происходит испарение конденсата. После этого охлажденный теплоноситель с помощью компрессора 2 вновь подается на охлаждение реактора 3. Пар из парогенератора 7 по контуру паротурбинной установки 8 сначала поступает в теплообменник-подогреватель 6, где перегревается с повышением давления, а затем в турбину 9, где, расширяясь, совершает полезную работу, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 10, расположенного на одном валу с турбиной 9. Из турбины 9 пар поступает в конденсатор 11, где конденсируется, а затем конденсат поступает в пароводяной насос-подогреватель 12. Одновременно с конденсатом в пароводяной насос-подогреватель 12 поступает пар по линии 13 через регулирующий клапан 14. В пароводяном насосе-подогревателе 12 за счет особой конструкции и эффекта смешивания двухфазных парожидкостных сред происходит интенсивное перемешивание пара и воды с последующим получением подогретого конденсата с высокой температурой и давлением. За счет этого давления происходит подача подогретого конденсата в парогенератор 7. Для регулирования направления движения пара между теплообменником-подогревателем 6, парогенератором 7 и пароводяным насосом-подогревателем 12 устанавливаются обратные клапаны 15 и 16. Теплоноситель системы внешнего теплоснабжения 21 сначала поступает в теплообменник-охладитель 20 для охлаждения двигателя Стирлинга, а затем в конденсатор 11, где за счет теплообмена конденсируются пары после выхода из турбины 9.

Источники информации 1. Патент РФ N 2115831, Бюл. N 20 от 20.07.98.

2. "Энергетика Петербурга" //газета//, N 5 (11), от 25.05.99.

3. Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. - М.: Мир, 1986, стр. 55.

4. Дж. Боуэн, Е. Мейстерс. Управление ядерными реакторами. - М.: Госатомиздат, 1961, стр. 11 - прототип.

Формула изобретения

Теплоэнергетическая система с газоохлаждаемым реактором, включающая в себя газоохлаждаемый ядерный реактор, контур газообразного теплоносителя, в качестве которого используется гелий, с компрессором (газодувкой), проходящий через реактор и парогенератор, контур паротурбинной установки, содержащий парогенератор, паровую турбину, конденсатор, в который введены теплообменник-подогреватель пара, расположенный перед парогенератором, и через который проходит контур газообразного теплоносителя, электрогенератор, расположенный на одном валу с турбиной, и насос, расположенный между конденсатором и парогенератором, отличающаяся тем, что снабжена двигателем Стирлинга с электрогенератором на одном валу, расположенным перед контуром паротурбинной установки, через нагреватель которого проходит контур газообразного теплоносителя, и имеющим контур охлаждения с насосом и теплообменником-охладителем, насос выполнен в виде пароводяного насоса-подогревателя с линией подачи пара с регулирующим клапаном, соединяющей контур паротурбинной установки между теплообменником-подогревателем пара и турбиной с пароводяным насосом-подогревателем, при этом между теплообменником-подогревателем, парогенератором и пароводяным насосом-подогревателем установлены обратные клапаны, а теплообменник-охладитель контура охлаждения двигателя связан с конденсатором паротурбинной установки системой внешнего теплоснабжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1