Возможность использования энергоисточников малой мощности

ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГОИСТОЧНИКОВ МАЛОЙ
МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ ВТГР ДЛЯ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРИМЕНЕНИЯ
Васяев А.В., Владимирский М.К., Ганин М.Е., Кодочигов Н.Г., Панаиотова Т.В.
ФГУП ФНПЦ «Опытное конструкторское бюро машиностроения
им. И.И. Африкантова», г. Нижний Новгород
E-mail: vladimirsky@okbm.nnov.ru
Перспективность ВТГР, как одного из направлений атомной энергетики,
определяется следующими ключевыми факторами:
- возможностью нагрева теплоносителя на выходе из активной зоны до температур
на уровне 1000 С;
- высоким
уровнем
безопасности:
нерасплавляемой
активной
зоной,
использованием микротвэлов, способных эффективно удерживать продукты деления при
высоких температурах, пассивным принципом отвода остаточного тепла при полной
потере теплоносителя из первого контура;
- возможностью
реализации
эффективных
термодинамических
циклов
преобразования тепловой энергии в электричество за счет высокой температуры гелиевого
теплоносителя. Прямой газотурбинный цикл Брайтона может обеспечить КПД
преобразования энергии на уровне до 50 %;
- простой схемой преобразования энергии с прямым газотурбинным циклом и
принципами обеспечения безопасности, требующими минимального количества систем и
компонентов реакторной установки и станции;
- высокой температурой сбросного тепла прямого газотурбинного цикла (>100 С),
дающей возможность использования его для коммунальных целей и обессоливания
морской воды;
- низким тепловым воздействием на окружающую среду благодаря высокому КПД
производства электроэнергии и т.п.
Перечисленные выше особенности и в частности одноконтурная схема
преобразования электроэнергии, малое количество систем безопасности, высокий КПД
создают предпосылки для снижения капитальных и эксплуатационных затрат.
Способность ВТГР обеспечивать высокую температуру теплоносителя позволяет
использовать их в различных схемах энергоблока:
- с газотурбинным циклом;
- с контуром передачи высокотемпературного тепла к технологическим
производствам.
Возможность
снабжения
промышленности
высокопотенциальным
теплом (800…1000 С) вместо сжигания органического топлива может быть решена
только за счет использования ВТГР, поскольку другие типы реакторов не допускают
такого уровня температур.
Возможные области применения ВТГР в качестве энергоисточников в
технологических процессах следующие:
- производство водорода из воды;
- нефтехимия и нефтепереработка;
- нефтедобыча;
- газификация угля;
- химическая промышленность;
- черная металлургия;
- цветная металлургия;
- другие отрасли промышленности (строительные материалы, машиностроение,
целлюлозно-бумажная промышленность и т.д.).
В настоящее время существуют проблемы снабжения электроэнергией и теплом
труднодоступных районов, изолированных от энергосистем России, а также снабжения
высокопотенциальным теплом процессов нефтедобычи (с возможностью размещения
источников высокопотенциального тепла вблизи месторождений). В связи с этим в ОКБМ
разрабатывается
ряд
проектов
энергоисточников
малой
мощности
для
энерготехнологического назначения на основе ВТГР: РУ МГР-100 ГТ, РУ МГР-100 ВЭП,
РУ МГР-100 ПКМ, РУ МГР-100 НПЗ.
Реакторная установка МГР-100 ГТ предназначена для производства
электроэнергии в прямом газотурбинном цикле с возможностью использования сбросного
тепла для коммунального теплоснабжения.
Утилизация сбросного тепла при производстве электроэнергии ВТГР для бытового
и коммунального теплоснабжения позволяет практически полностью использовать тепло
от реактора.
Коммунальное теплоснабжение обеспечивается байпасированием расхода гелия
через рекуператор по горячей стороне и с уменьшением расхода охлаждающей воды через
промежуточный и предварительный холодильники.
Себестоимость вырабатываемой электроэнергии с учетом полезного использования
сбросного тепла для целей бытового теплоснабжения практически снижается в два раза.
При этом следует учитывать экономический эффект от исключения тепловых выбросов в
окружающую среду.
На рисунках 1 и 2 представлены соответственно принципиальная схема и
компоновка РУ МГР-100 ГТ.
1 – реактор; 2 – корпус БПЭ; 3 – генератор; 4 – турбина; 5 – КВД; 6 – КНД; 7 – рекуператор;
8 – предварительный холодильник; 9 – промежуточный холодильник
Рисунок 1 – Схема производства электроэнергии с возможностью использования
сбросного тепла для коммуникационного теплоснабжения РУ МГР-100 ГТ
Основные технические характеристики установки:
- тепловая мощность реактора, МВт – 215;
- полезная электрическая мощность, МВт ~ 98;
- КПД, % – 46,05;
- температура сетевой воды на входе, С – 70*;
- температура сетевой воды на выходе, С – 150*.
Примечание – * – При обеспечении данных параметров сетевой воды в комбинированном
режиме производства электроэнергии и теплоснабжения производство электроэнергии снизится
до 83 МВт.
Блок
преобразования
энергии
Реактор
Рисунок 2 – Компоновка реакторной установки МГР-100 ГТ
Реакторная установка МГР-100 ВЭП предназначена для производства перегретого
пара требуемых параметров с целью получения водорода методом высокотемпературного
электролиза.
При производстве водорода с применением высокотемпературного электролиза
высокотемпературная часть тепла от реактора (температура гелия на выходе из реактора
950 С) к химико-технологической части передается через парогенератор водяному пару,
перегревая его до 900 С. Часть тепла с более низкой температурой (850 С) преобразуется
затем в электрическую энергию в блоке преобразования энергии, расположенном после
парогенератора.
Вырабатываемая
электроэнергия
полностью
подводится
к
высокотемпературному электрохимическому электролизеру.
На рисунках 3 и 4 представлены соответственно двухконтурная принципиальная
схема и компоновка РУ МГР-100 ВЭП.
Основные технические характеристики установки:
- тепловая мощность реактора, МВт – 215;
- полезная электрическая мощность, передаваемая на высокотемпературный
электролиз, МВт ~ 82;
- КПД, % – 46,05;
- тепловая мощность парогенератора, МВт – 22,9;
- температура пара, С – 900;
- давление пара, МПа – 5,4.
Реакторная
установка
МГР-100 ПКМ
предназначена
для
выработки
высокопотенциального тепла с целью получения водорода методом паровой конверсии
метана.
1 – реактор; 2 – корпус БПЭ; 3 – генератор; 4 – турбина; 5 – КВД; 6 – КНД; 7 – рекуператор;
8 – предварительный холодильник; 9 – промежуточный холодильник; 10 – парогенератор;
11 – установка по производству водорода; 12 – подогреватель; 13 – насос;
14 – система водоподготовки; 15 – бак с обессоленной водой
Рисунок 3 – Принципиальная схема РУ МГР-100 ВЭП
Блок
преобразования
энергии
Парогенератор
Реактор
Рисунок 4 – Компоновка реакторной установки МГР-100 ВЭП
При производстве водорода с применением паровой конверсии метана (ПКМ)
высокотемпературная часть тепла от реактора (температура гелия на выходе из реактора
850 С) передается в первом контуре через высокотемпературные теплообменники к
парогазовой смеси химико-технологической части. Часть тепла с более низкой
температурой поступает в парогенератор, расположенный после высокотемпературных
теплообменников. Преобразование тепловой энергии пара, вырабатываемого в
парогенераторе, в электрическую осуществляется в паротурбинной установке.
Сочетание ВТГР и ПКМ позволяет примерно на 40 % снизить потребление
природного газа, а следовательно, и затраты, необходимые для производства водорода.
Принципиальная схема и компоновка РУ МГР-100 ПКМ представлены соответственно на
рисунках 5 и 6.
1 – реактор; 2 – высокотемпературные теплообменники; 3 – парогенератор;
4 - главная циркуляционная газодувка; 5 – установка по производству водорода;
6 - цилиндр высокого давления; 7 – цилиндр низкого давления; 8 – генератор; 9 – конденсатор; 10
– конденсатный насос; 11 – подогреватель низкого давления; 12 - питательный насос;
13 – деаэратор; 14 – подогреватель высокого давления
Рисунок 5 – Принципиальная схема МГР-100 ПКМ
Основные технические характеристики установки:
- тепловая мощность реактора, МВт – 215;
- тепловая мощность высокотемпературных теплообменников, МВт – 160,5;
- тепловая мощность парогенератора, МВт – 50;
- КПД ПТУ, % – 33;
- температура пара, С – 500;
- давление пара, МПа – 17.
Высокотемпературные
теплообменники
Реактор
Рисунок 6 – Компоновка реакторной установки МГР-100 ПКМ
Реакторная установка МГР-100 НПЗ предназначена для выработки
высокопотенциального или среднепотенциального тепла с целью обеспечения процессов
нефтедобычи и технологических нужд нефтеперерабатывающих заводов (нагрев сетевых
теплоносителей).
При производстве высокопотенциального и среднепотенциального тепла для нужд
нефтеперерабатывающих заводов и процессов нефтедобычи, отвод тепла, получаемого в
реакторе, осуществляется в высокотемпературном теплообменнике к гелию
промежуточного контура и далее в сетевом теплообменнике к теплоносителю сетевого
контура (нитрит – нитратная соль). Преобразование тепловой энергии пара,
вырабатываемого в парогенераторе, в электрическую осуществляется в паротурбинной
установке.
1 – реактор; 2 – высокотемпературный промежуточный теплообменник;
3 - главная циркуляционная газодувка; 4 – сетевой теплообменник; 5 – газодувка;
6 - нефтеперерабатывающий завод; 7 – насос; 8 – парогенератор;
9 – подогреватель высокого давления; 10 – питательный насос; 11 – деаэратор;
12 – подогреватель низкого давления; 13 – конденсатный насос; 14 – конденсатор;
15 – цилиндр низкого давления; 16 – генератор; 17 – цилиндр высокого давления
Рисунок 7 – Принципиальная схема МГР-100 НПЗ
На рисунках 7 и 8 представлены соответственно принципиальная схема и
компоновка РУ МГР-100 НПЗ.
Основные технические характеристики установки:
- тепловая мощность реактора, МВт – 215;
- тепловая мощность промежуточного теплообменника, МВт – 213,3;
- тепловая мощность сетевого теплообменника, МВт – 215,5;
- тепловая мощность парогенератора, МВт – 55;
- КПД ПТУ, % – 33;
- температура воды, С – 152;
- температура пара, С – 440;
- давление пара, МПа – 4.
Высокотемпературный
промежуточный
теплообменник
Реактор
Рисунок 8 – Компоновка реакторной установки МГР-100 НПЗ
Таким образом, данные установки имеют перспективу широкого применения в
различных отраслях промышленности.
Список литературы
1 Кирюшин А.И. и др. Роль и место газоохлаждаемых реакторов в структуре
ядерного энергообеспечения: Доклад на 10-ю ежегодную научно-техническую
конференцию ЯОР «От первой в мире АЭС к энергетике ХХI века» - г. Обнинск, 28 июня2 июля 1999.
2 Пономарев-Степной Н.Н. Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы для
производства электроэнергии и водорода: Доклад СД ИНПРО России, 19 октября 2006.