Существенным недостатком атомных электростанций (АЭС) является их низкая маневренность. Как существующие, так и перспективные АЭС малопригодны для работы в недельном режиме регулирования мощности и практически непригодны для работы в суточном режиме регулирования из-за резкого уменьшения ресурса реакторов, а также угрозы их йодного и ксенонового отравления.
Этот недостаток преодолён в предлагаемой комбинированной атомно-парогазотурбинной установки (АПГУ), электрическую мощность которой можно непрерывно регулировать в диапазоне не уже 70-100% от номинальной. Тепловая мощность и температурный режим работы реактора при этом остаётся постоянной, что позволяет АПГТУ работать в режиме суточного регулирования и даже в полупиковом режиме без ущерба для ресурса реактора, в время как возможность работы обычной АЭС даже в режиме недельного регулирования представляется проблематичной.
Укрупнённая схема АПГУ представлена на рисунке 1.
АПГУ содержит энергоблок АЭС (на схеме рисунок 1 залит жёлтым цветом) и парогазотурбинную надстройку (ПГТН). Энергоблок состоит из реактора, парогенератора и паровой турбины. В качестве парогазотурбинной надстройки используется парогазотурбинная установка (ПГУ) с полузамкнутым газотурбинным двигателем (ПЗГТД) [1], отличающаяся от обычных ПГУ высокой маневренностью.
АПГУ работает следующим образом. Насыщенный пар на выходе из парогенератора делят на два потока. Первый из них, как обычно, направляют на паровую турбину. Вторую часть подают на вход ПГТН. Мощность АПГУ регулируют, изменяя соотношение расходов пара через паровую турбину и ПГТН. При этом сумму этих расходов поддерживают постоянной. Поскольку КПД ПГТН намного выше КПД паровой турбины, то при увеличении расхода пара через ПГТН электрическая мощность АПГУ увеличивается, и уменьшается при увеличении расхода пара через паровую турбину.
От обычной ПГУ с ПЗГТД, описанной в [1] ПГТН отличается тем, что тепло, необходимое для испарения питательной воды, ПГТН получает из ядерного реактора, что позволяет значительно снизить расход органического топлива, а также размеры теплообменников и турбомашин в газотурбинной части ПГТН.
В АПГУ могут быть применены реакторы на тепловых или быстрых нейтронах с двухконтурной системой охлаждения. Возможно также применение реакторов на быстрых нейтронах с трёхконтурной системой охлаждения.
Применение ПГУ с ПЗГТУ позволяет, во-первых радикально снизить её инерционность, а во-вторых, применить высокоэффективные серийные сверхкритические паровые турбины (СКД). В перспективе возможно применение ультра- и суперсверкритических паровых турбин, что позволит ещё более повысить КПД АПГУ.
Более подробная схема АГТУ представлена на рисунке 2. Схема ПГУТН с ПЗГТД на ней залита бледно-зелёным цветом. Работает она следующим образом. На вход компрессора наддува 6 поступает воздух из атмосферы, в количестве, немногим больше того, что необходимо для полного сгорания топлива (α=1,05…1,1). Сжатый в компрессоре 6 воздух поступает в компрессор высокого давления 10, с выхода которого он поступает в камеру сгорания 11, где в нём сжигают топливо. Температуру образующихся при этом горячих продуктов сгорания снижают, разбавляя их относительно холодным балластным газом, поступающим с выхода компрессора балластного газа 17. Образующуюся при этом смесь подают на вход турбины высокого давления 12, которая вращает компрессор балластного газа 17. Прошедший через турбину 17 газ поступает на вход турбины среднего давления 13, которая вращает паровой компрессор 6 который повышает давление пара, поступающего с выхода парогенератора 5 до сверхкритического.
С выхода турбины среднего давления газ поступает в газоход котла-утилизатора (КУ) 14, в котором установлены два пароперегревателя 15 и 16, в первом из которых нагревают пар высокого давления, поступающий с выхода парового компрессора 5, а во втором осуществляют промежуточный подогрев пара, среднего давления паровой турбины СКД 3. На выходе из газохода КУ 14, газ разделяют на два потока, один из которых подают на вход компрессора балластного газа 17, а другой – на вход турбины наддува 7, с выхода которого его выбрасывают в дымовую трубу.
Применённая в АПГУ ПГУ с ПЗГТ отличается от описанных в [1] тем, что на вход змеевика высокого давления 16 в нём подают не питательную воду, а водяной пар с выхода парового компрессора 5, в котором сжимают водяной пар, поступающий с выхода парогенератора ядерного энергоблока через кран 3. Сжатый в компрессоре пар нагревают в змеевике 16 так, чтобы его температура и объёмный расход на входе в паровую турбину оставалась бы постоянными во всех режимах работы,
Подогрев питательной воды и её испарение в ядерном энергоблоке приводит к существенному уменьшению количества тепла, которое надо передать рабочему телу в паровом котле ПГУ с ПЗГТД, а, значит, и к уменьшению количества тепла, выделяющегося при сжигании топлива в камере сгорания 11 ПЗГТД. Как следствие значительно сокращаются потребные размеры всех компрессоров и турбин ПЗГТД, а также его парового котла 14. Так, например, при использовании паровой турбины К-800-240 в описанной в [1] ПГУ с ПЗГТД, потребная величина расхода воздуха на входах в компрессоры 6 и 10, обеспечивающая работу паровой турбины в номинальном режиме – около 800 кг/с, а в ПГТН та же турбина работает в номинальном режиме при расходе воздуха через эти компрессоры равном 248,2 кг/с.
Основные исходные допущения, в которых был проведён расчёт АПГУ, выполненного по схеме рисунок 2 приведены в таблице 1.
Примечания. 1 - Значение параметра не меняется во всём диапазоне регулирования мощности АПГУ.
Графики, отображающие зависимость расхода пара на входах в паровые турбины МЭБ от мощности электрической нагрузки АПГУ представлены на рисунке 2.
Следует отметить, что КПД АПГУ увеличивается при увеличении давления насыщенного пара на выходе из парогенератора. Так, при повышении давления с 65 до 75 бар он увеличивается примерно на 1,5% во всём диапазоне мощностей АПГУ. При использовании в АПГУ реактора на быстрых нейтронах и давлении насыщенного пара на выходе из парогенератора 150 бар КПД лежит в пределах 49-52%. Дальнейшее повышение КПД АПГУ может быть достигнуто за счёт применении в ПГТН ультра- и суперсверхкритических паровых турбин.
Литература.
1. Ведешкин Г. К., Фаворский О. Н., Князев А. Н. Скибин В. А., Назаренко Ю. Б. Патент РФ №2466285.
Приложение. Рисунки 3…6 на которых представлены графики, отображающие зависимость некоторых параметров от электрической мощности рассмотренной выше АГТУ с типичным реактором ВВР.