Пиковая теплоэлектрическая установка с накопителем тепла на фазовых переходах

 

Использование: на электрических станциях в теплоэлектрических установках с применением накопителей энергии. Сущность изобретения: предложена пиковая теплоэнергетическая установка, состоящая из накопителя энергии и контура зарядки тепла. Накопитель тепла выполнен на фазовых переходах материала сердечника и связан зарядным тепловым контуром на парожидкостном теплоносителе через теплообменник с источником тепловой энергии, в качестве которого используется теплоноситель первого или второго контуров АЭС или ТЭС. С целью ускорения и повышения маневренности зарядки накопителя тепла энергией путем повышения температуры теплоносителя в зарядный контур включен теплообменник с электрическим подводом энергии от электрических сетей АЭС или ТЭС. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Известно, что новый график потребления тепловой и электрической энергии очень неравномерен как в течение суток, так и недели, и сезона года. Неравномерность графика потребления энергии приводит к значительному снижению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и росту аварийности оборудования электрических станций и сетей.

Одним из перспективных выходов из этой ситуации является создание теплоэлектрических установок с применением накопителей энергии, заряжаемых во время ночного провала потребления энергии и разряжаемых в часы пикового потребления тепла и электроэнергии. Особенно важно такое накопление энергии для поддержания режима работы АЭС, в первую очередь, теплового режима ядерного реактора. Различные предложения на этот счет изложены в известной работе.

В этой работе имеется ряд предложений по накоплению энергии: в виде питательной воды котлов, в виде аккумуляторов пара, путем накопления тепла в материалах с твердым и жидким состоянием и в процессе изменения фазового состояния. Предложения рассматриваются как для энергетических установок, так и для бойлеров и бытовых обогревательных приборов.

Признавая главным недостатком большинства предложений создание запасов высокоэнергетических пара, жидкостей и т.п. в огромных сосудах под давлением, опасных для окружающих зданий и жителей, то авторам данной работы представляется оптимальным решение поставленной задачи накопления энергии в процессе фазового перехода материала: плавление-кристаллизация, преимуществом которого наряду с малым объемом и низким давлением в накопителе тепла является постоянство температурного потенциала энергии как в процессе ее накопления, так и кристаллизации, тогда как других изотермических систем для накопления-отдачи тепловой энергии, кроме пара не существует. Все это изложено в той или иной форме в работе (1) и там же рекомендован ряд материалов для плавящихся сердечников в интервале температур от 250^oC (LiNO₃), характерных для АЭС с реакторами ВВР и РБМК, и до 450^oC (двойные и тройные смеси хлоридов), характерных для АЭС с реакторами типа ВН и ТЭС на органическом топливе.

Однако создание накопителей тепла в указанном температурном диапазоне очень не простая задача, практического опыта решения которой у первоисточников обзора не было. Авторы работы имеют опыт по созданию экспериментальных накопителей тепла на базе сплавов кремния, алюминия и на смеси хлоридов, поэтому они сделали следующий шаг в направлении создания энергетического оборудования с накоплением энергии на фазовых переходах среднетемпературных сердечников.

Предлагается создать пиковую теплоэлектрическую установку, в которой накопление энергии происходит в материале сердечника в процессе его плавления, а разрядка энергии идет или путем форсажа проточной части турбины АЭС или ТЭС путем перекрытия отборов пара из ее ступеней с одновременной подпиткой котла и тепловых сетей горячей водой или с помощью специальной пиковой турбины с одновременной подачей пара потребителям горячей воды в тепловые сети и на вход в накопитель тепла.

Новизна предложения состоит в том, что накопитель тепла имеет свой контур разрядки энергии и связан с теплоносителем первого или второго контуров АЭС или ТЭС специальным теплообменным зарядным контуром, в котором перенос энергии осуществляется жидким теплоносителем, например органическим (на базе дифенила) или насыщенным водяным паром. Кроме того, в контур зарядки накопителя тепла введен теплообменник, к которому подведена электрическая энергия от линии электропередачи АЭС или ТЭС, с помощью которой осуществляется дополнительный нагрев теплоносителя, что позволяет ускорить накопление энергии и повышает маневренность теплонакопителя и пиковой теплоустановки на его основе.

Принцип действия теплоэлектрической установки, представленной на чертеже, состоит в следующем.

Теплоэлектрическая установка состоит из накопителя тепла 1 с сердечником из плавящегося материала, например бинарной смеси хлоридов натрия и магния, и теплоизоляцией, трубками 2 для прохода теплоносителя зарядного контура и трубками 3 для прохода теплоносителя разрядного контура, разрядного контура 4, например с водяным парообразующим теплоносителем, насосами, теплообменниками для подогрева сетевой воды, питательной воды и промышленного потребления пара, турбиной с электрогенератором и конденсатором отработанного пара и зарядного контура 5 с жидким теплоносителем, например органическим, на основе дифенила или насыщенным водяным паром, насосом 6, теплообменником 7 для нагрева теплоносителя зарядного контура теплом первого или второго контуров 8 АЭС или ТЭС, теплообменником 9 для дополнительного нагрева теплоносителя электрической энергией от сетей АЭС и ТЭС. Регулирование расхода теплоносителя через теплообменник 9 зарядного контура регулируется вентилем 10.

Процесс зарядки накопителя тепла осуществляется в период ночного провала потребления электроэнергии. Нагретый теплоноситель первого контура АЭС (или ТЭС) поступает в теплообменник 7, нагревает теплоноситель зарядного контура до температуры, превышающей температуру плавления материала сердечника в накопителе тепла 1. Нагретый теплоноситель поступает в зарядные трубки 2 накопителя тепла 1, после охлаждения на вход в насос 6 и после насоса вновь поступает в зарядный теплообменник 7. В теплообменнике 7 количество тепла, передаваемое из I (II) контура АЭС в зарядный контур, регулируется расходом теплоносителя в зарядном контуре, задаваемым насосом 6.

Количество тепла, которое может быть передано из контура I АЭС в зарядный контур, определяется потребностью в электроэнергии. Обычно в настоящее время АЭС работают в базисном режиме электрических сетей, однако в перспективе может ставиться вопрос с маневрировании мощностью АЭС, как это делается сейчас с мощностью ТЭС. В случае, когда АЭС может выделить в зарядный контур накопителя тепла недостаточно тепловой энергии, то дополнительная энергия может быть введена в зарядный контур через теплообменник 9 с помощью электроэнергии, получаемой от сети, от АЭС или ТЭС.

Разрядка накопителя тепла 1 осуществляется теплоносителем разрядного контура через трубки 2. Далее теплоноситель поступает в сепаратор, где происходит отделение воды от пара, и далее в турбину. Из турбины часть теплоносителя отбирается для подогрева питательной воды на входе в накопитель тепла и подогрева сетевой воды, отпускаемой потребителям. Часть пара может отбираться для производственных нужд. Зарядка и разрядка накопителя тепла происходит при практически постоянной температуре и поэтому мощность пикового разрядного контура может быть постоянной в течение всего периода разрядки. Между разрядкой накопителя тепла и зарядкой может быть пауза, в которую зарядный и разрядный контуры могут оставаться в горячем состоянии, хотя и при несколько более низкой температуре, чем номинальная. Это позволяет держать контур разрядки в состоянии горячего резерва энергетической сети.

В качестве примера исполнения можно привести вариант реконструкции машзала блока АЭС с реактором типа ВВР-1000.

В качестве материала сердечника выбирается LiNO₃ с температурой плавления 250^oC и теплотой плавления 530 кДж/кг, зарядка накопителя тепла может длиться 7 ч и на зарядку расходоваться 25% тепловой мощности ядерного реактора, при этом мощность турбины блока АЭС также снижается примерно на 25% Запас энергии в накопителе тепла за 7 ч составит 5250 МВтч. Масса сердечника составит 35660 т. Объем накопителя тепла при 50% заполнении объема сердечника 40158 м³, площадь пола помещения, занимаемого накопителем тепла, при высоте кладки 10 м составляет BxL 45x90 м².

Возврат тепловой и электрической мощности рассчитан на 9 ч, при этом электрическая мощность при КПД пиковой электростанции, равном КПД АЭС, составит примерно 200 МВт и тепловая мощность, отдаваемая в сетевую воду и градирню, составит примерно 390 МВт. Пиковая мощность с накопителем тепла составит 1200 МВт вместо 1000 МВт при обычной схеме АЭС и соответственно на 20% может быть увеличен отпуск тепла пиковым потребителям.

На снятом ранее с эксплуатации блоке Нововоронежской АЭС были использованы турбины мощностью 200 МВт в машзале площадью 50x150 м² при высоте помещения 24 м. Таким образом, для пиковой электростанции можно использовать одну из имеющихся турбин АЭС и соответствующее паровое и водяное оборудование и половину машзала использовать для размещения накопителя тепла. При этом стоимость строительства будет снижена на величину затрат, необходимых для разборки половины машзала АЭС и будет экономия на закупках оборудования парового контура.

Формула изобретения

1. Пиковая теплоэлектрическая установка, содержащая накопитель энергии, выполненный из материала с фазовым переходом и подключенный к контуру разрядки и контуру зарядки, выполненному в виде теплового контура на парожидкостном теплоносителе, отличающаяся тем, что тепловой контур включает теплообменник с источником тепловой энергии, в качестве которого используется теплоноситель первого или второго контуров АЭС или ТЭС.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что зарядный контур снабжен дополнительным теплообменником с электрическим подводом энергии от электрических станций.

РИСУНКИ

Рисунок 1