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
Наименование |
Значение |
Относительная электрическая нагрузка блока с БН-800 |
0,9 |
Номинальный расход пара, кг/с |
910,49 |
Начальное давление, МПа |
12,75 |
Начальная температура, °С |
485 |
КПД теплового потока |
0,99 |
Удельная теплоёмкость воды, кДж/(кг·°С) |
4,19 |
Давление насыщения в П6, МПа |
0,022 |
Число часов работы АЭС на пониженной нагрузке, ч/год |
2832 |
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 ηзар = 0,85 – коэффициент, учитывающий эффективность передачи тепла жидкометаллическому теплоносителю (принят по данным [3]);
ηзар = 0,93 – коэффициент, учитывающий эффективность передачи тепла от жидкометаллического теплоносителя (принят по данным [4]);
ηп = 0,99 – КПД подогревателя;
ηэф.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. Ʈпон = 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
Наименование |
Значение |
Начальное давление, МПа |
6,96 |
Начальная температура, °С |
508,0 |
Расход свежего пара, т/ч |
223,5 |
Номинальная температура охлаждающей воды, °С |
17 |
Расход охлаждающей воды через конденсатор, м3/ч |
17500 |
Таблица 3
Результаты расчёта аккумулирующего контура
Наименование |
Значение |
Расход отбираемого пара на зарядку аккумулятора, кг/с |
91,05 |
Расход отбираемого конденсата на разрядку аккумулятора, кг/с |
62,08 |
Зарядка аккумулятора |
|
Параметры отбираемого пара на вход в АФП: |
|
Давление, МПа |
1,28 |
Температура, °С |
485 |
Параметры дренажа на выходе из АФП: |
|
Давление, МПа |
1,04 |
Температура, °С |
181,6 |
Разрядка аккумулятора |
|
Параметры отбираемого конденсата из П6: |
|
Давление, МПа |
0,022 |
Температура, °С |
62,1 |
Параметры конденсата после дренажного насоса, на входе в АФП: |
|
Давление, МПа |
8,62 |
Температура, °С |
65,1 |
Параметры пара на входе в пиковую турбоустановку: |
|
Давление, МПа |
6,96 |
Температура, °С |
508 |
Параметры конденсата в «пиковом» конденсаторе: |
|
Давление, МПа |
0,0046 |
Температура, °С |
31,3 |
Параметры конденсата на входе в основной деаэратор: |
|
Давление, МПа |
0,96 |
Температура, °С |
32,1 |
Продолжительность зарядки аккумулятора в неделю, ч |
59 |
Количество тепла, идущее в пиковую турбоустановку, МВт |
188,62 |
Мощность, вырабатываемая пиковой турбоустановкой, МВт |
68 |
Дополнительная электроэнергия, вырабатываемая в пиковой ТУ, МВт·ч |
4012 |
Выводы
1. Разработана схема блока АЭС трехконтурного типа с реактором БН-800 и турбоустановкой К-800-130 и с включением аккумулирующего контура с аккумулятором фазового перехода и пиковой турбоустановкой для получения дополнительной электрической мощности.
2. Рассчитана эффективность аккумулирующего пикового контура на предмет целесообразности его включения в основную тепловую схему блока.
3. Применение аккумуляторов тепловой энергии (АФП) на блоке позволяет получить дополнительную выработку электроэнергии в часы пиковой нагрузки, при сохранении номинального режима работы реакторной установки, что положительно сказывается на надёжности работы.
Библиографическая ссылка
Ростунцова И.А., Шевченко Н.Ю., Коломоец А.С. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АККУМУЛЯТОРОВ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА С НАТРИЕВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ НА АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ ТРЕХКОНТУРНОГО ТИПА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-4. – С. 602-606;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7985 (дата обращения: 17.08.2024).