Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Одной из наиболее острых проблем энергетики является проблема покрытия неравномерности графиков суточного, недельного и сезонного электропотребления [1]. К числу перспективных путей решения проблемы повышения маневренности генерирующего оборудования энергосистемы можно отнести использование теплоаккумулирующих систем на традиционно маломаневренных электростанциях, таких как АЭС, АТЭ, ТЭЦ с повышенной теплофикационной нагрузкой, ТЭС, использующих твердое топливо [2]. Тепловое аккумулирование энергии на электростанциях позволяет уменьшить капиталовложения в энергосистеме на сооружение специализированных высокоманевренных установок, а при высокой эффективности теплоаккумулирующего цикла – и экономить топливо, потребляемое специализированными установками. Кроме этого, одновременно повышается надежность электростанции, так как на ней значительную часть суток (кроме часов стояния пиковых нагрузок) имеется готовый к быстрому вводу в работу пиковый контур [3]. Поэтому применение системы аккумулирования теплоты на тепловых электростанциях и в частности на АЭС является актуальной задачей в плане использования атомных электростанций в широком диапазоне электрических нагрузок.

Аккумулирование тепловой энергии

Аккумулирование тепловой энергии представляет собой процесс накопления тепловой энергии в период ее наибольшего поступления для последующего использования, при этом в процессе накопления энергии производится зарядка аккумулятора, а в процессе ее использования – разрядка. Возможность аккумулирования тепловой энергии основана на использовании физического или химического процесса, связанного с поглощением и выделением теплоты. К основным из них относятся:

– накопление-выделение внутренней энергии при нагреве-охлаждении твердых или жидких тел;

– фазовые переходы с поглощением-выделением скрытой теплоты;

– процесс сорбции-десорбции или обратимая химическая реакция, протекающая с выделением-поглощением тепла.

Отмеченные процессы реализуются в специальных устройствах – аккумуляторах теплоты (АТ). Вещества, используемые для накопления тепловой энергии, называются теплоаккумулирующими материалами (ТАМ). При этом количество аккумулированной энергии зависит от температуры, на которую нагревается ТАМ, и его удельной теплоемкости.

Наибольшее распространение получили аккумуляторы фазового перехода (АФП) с промежуточным теплоносителем, который представляет собой газ или жидкость, осуществляющий перенос теплоты от источника к АФП, при его зарядке, и от АФП к потребителю, при разрядке.

Одним из таких АФП является аккумулятор капсульного типа, схема которого представлена на рис. 1.

а) б)

Рис. 1. Схема аккумулятора фазового перехода (а) и цилиндрическая капсула (б). 1 – корпус АФП; 2 – тепловая изоляция; 3 – внутренний сосуд; 4 – теплоаккумулирующие капсулы; 5 – вход/выход пара; 6 – вход/выход воды; 7 – расплавленный металл; 8 – кристаллизованный металл; 9 – полость кристаллизованного металла; 10 – полость расплавленного металла; 11 – пробка

Он состоит из корпуса, заполненного специальными капсулами, которые, в свою очередь, заполнены теплоаккумулирующими материалами. Подвод или отвод теплоты в АФП производится посредством теплоносителя, проходящего в пространстве между капсулами.

Основным достоинством таких аккумуляторов является простота конструкции и возможность гибкого выбора компоновочных решений, поскольку капсулами с ТАМ могут заполняться контейнеры произвольной формы.

Оценка эффективности применения аккумулятора фазового перехода с натриевым теплоносителем

Для АЭС трехконтурного типа с реакторными установками типа БН 800 и турбоустановкой К-800-130 рассмотрена эффективность применения аккумулятора фазового перехода, где в качестве ТАМ используется жидкий натрий. Разработана тепловая схема блока с включением аккумулирующего контура (рис. 2).

На выходе из АФП, образовавшийся конденсат, подается на слив в основной деаэратор, тем самым восполняя расход рабочего тела в цикле до номинального значения . Процесс зарядки происходит до тех пор, пока АЭС работает на пониженной нагрузке. Как только нагрузка станции выравнивается до номинального значения, клапаны 1 и 2 закрываются, зарядка прекращается. В тот момент, когда нагрузка начинает превышать номинальное значение (в часы пик), открываются клапаны 3 и 4, начинается разрядка аккумулятора.

Рис. 2. Принципиальная схема включения аккумулирующего контура в тепловую схему

Дренажный насос (ДН) отбирает необходимую часть основного конденсата, которая уже предварительно частично дегазируется в смешивающем подогревателе П 6. Далее насос закачивает конденсат в АФП, где происходит теплообмен и испарение конденсата. Из АФП выходит пар с номинальными для пиковой турбины параметрами. В турбине пар расширяется, и, образовавшийся в конденсаторе конденсат, прокачивается конденсатным насосом КН2, который, в свою очередь, формирует параметры, необходимые для входа конденсата в основной деаэратор. Так происходит до тех пор, пока, либо не снизится нагрузка на станции до номинального значения, либо полностью не разрядится аккумулятор. В данной схеме процесс аккумулирования организован таким образом, чтобы сохранялся номинальный режим работы парогенератора и реакторной установки, что повышает надежность эксплуатации тепловой схемы АЭС.

Таблица 1

Исходные данные для расчета пикового контура

Для оценки эффективности включения аккумулирующего пикового контура приняты следующие исходные данные, представленные в табл. 1.

Принято, что разгрузка блока по электрическому графику составляет 10 % (φ = 0,9). Нагрузка, которая приходится на АФП составит: 1 – φ = 1 – 0,9 = 0,1.

Расход и давление пара на входе в пиковый контур определятся из выражений (при условии сохранения начальной температуры на уровне ):

(1)

(2)

где – номинальный расход пара из парогенератора, кг/с;

– начальное давление пара на входе в турбину при номинальном режиме.

Произведен выбор пиковой турбоустановки, исходя из количества теплоты, получаемой аккумулятором в период зарядки Qзар; количества теплоты, получаемой рабочим телом от аккумулятора в период разрядки Qраз и дополнительной электрической мощности, вырабатываемой пиковым контуром Nэдоп. Последние принимают значения из выражений:

(3)

(4)

(5)

где η_зар = 0,85 – коэффициент, учитывающий эффективность передачи тепла жидкометаллическому теплоносителю (принят по данным [3]);

η_зар = 0,93 – коэффициент, учитывающий эффективность передачи тепла от жидкометаллического теплоносителя (принят по данным [4]);

η_п = 0,99 – КПД подогревателя;

η_эф.ту = 0,36 – эффективный КПД среднестатистической турбоустановки; – энтальпии пара и дренажа АФП, кДж/кг.

По полученным данным к установке принята пиковая турбина марки К-80-7,0, характеристики которой представлены в табл. 2.

Параметры контура АФП определяются на основании материально-тепловых балансов. Продолжительность работы АЭС на пониженной нагрузке в среднем составляет 2832 часа в год, т.е. Ʈ_пон = 2832 ч/год = 236 ч/мес = 59 ч/нед = 2,46 сут/нед. При этом максимальное значение электроэнергии, выработанной за счёт использования аккумулированной теплоты, составит:

Ʈнедзар = 68∙59 = 4012 МВт∙ч.

Результаты по оценке эффективности аккумулирующего контура представлены в табл. 3.

Таблица 2

Характеристики турбоустановки К-80-7,0 для пикового контура

Таблица 3

Результаты расчёта аккумулирующего контура