BRPI0907973A2 - hybrid power plant - Google Patents

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Abstract

"usina de energia híbrida" uma usina de energia híbrida é descrita em que um reator nuclear de água pressurizada ou uma usina de energia alimentada a biomassa que têm uma temperatura operacional relativamente baixa como tal, é combinada com uma usina de energia a carvão ou outro combustível fóssil que tem uma temperatura operacional mais alta. vapor proveniente da primeira usina é superaquecido na segunda usina de energia para proporcionar uma usina híbrida com eficiências melhoradas e emissões mais baixas."hybrid power plant" A hybrid power plant is described in which a pressurized water nuclear reactor or a biomass-powered power plant that has a relatively low operating temperature as such is combined with a coal-fired or other power plant. fossil fuel that has a higher operating temperature. Steam from the first plant is overheated at the second power plant to provide a hybrid plant with improved efficiencies and lower emissions.

Description

“USINA DE ENERGIA HÍBRIDA” Fundamentos da Invenção“HYBRID ENERGY PLANT” Fundamentals of the Invention

A presente invenção diz respeito no geral a usinas de energia nuclear e, mais especificamente, a uma usina de energia híbrida que combina uma usina de energia nuclear ou uma usina de energia alimentada a biomassa com uma usina de energia alimentada a combustível fóssil para proporcionar maiores eficiências e emissões mais baixas.The present invention relates generally to nuclear power plants and, more specifically, to a hybrid power plant that combines a nuclear power plant or a biomass powered power plant with a fossil fuel power plant to provide greater lower efficiencies and emissions.

A grande maioria da produção de energia no mundo vem de uma das quatro fontes não renováveis: carvão, gás, petróleo ou nuclear. De acordo com os dados mais recentes (CY 2006) da International Energy Agency, 85 % de eletricidade foram gerados de fonte nuclear (23,2 %) e de combustíveis (61,8 %), ao passo que de hidroelétrica foram 13,4 % e de outras fontes renováveis foi 1,6 %. Cada uma dessas fontes tem suas vantagens e desvantagens. Dados apenas dos Estados Unidos do US Department of Energy dividem os combustíveis como carvão 49,7 %, natural gás 18,7 % e petróleo 3 %. Petróleo é praticamente sempre reservado para transporte e não é normalmente usado em geração de energia elétrica. Gás natural é usado, mas, em virtude de seu custo, ele é normalmente usado somente para capacidade de surto em período de pico de energia. Isto deixa usinas nucleares e alimentadas a carvão prover a carga básica e a maioria da eletricidade no mundo.The vast majority of energy production in the world comes from one of four non-renewable sources: coal, gas, oil or nuclear. According to the most recent data (CY 2006) from the International Energy Agency, 85% of electricity was generated from nuclear sources (23.2%) and fuels (61.8%), while hydroelectric sources were 13.4% % and other renewable sources was 1.6%. Each of these sources has its advantages and disadvantages. Data only from the United States of the US Department of Energy divide fuels such as coal 49.7%, natural gas 18.7% and oil 3%. Petroleum is almost always reserved for transportation and is not normally used in electricity generation. Natural gas is used, but because of its cost, it is normally used only for peak energy surge capacity. This leaves nuclear and coal-fired power plants to provide the basic charge and most of the electricity in the world.

Carvão atualmente provê a ampla maioria da capacidade de geração elétrica da carga básica e cerca da metade de toda a capacidade, mas seu uso está passando por grande pressão por problemas de poluição e especialmente pelas emissões de gás de efeito estufa dióxido de carbono. O uso nuclear tem sido limitado pelos altos custos de produção, amplamente impulsionados pela eficiência térmica muito baixa de seu ciclo de vapor que exige um reator muito grande em relação à quantidade de eletricidade que pode ser gerada por causa de seu vapor saturado de baixa temperatura.Coal currently provides the vast majority of the electricity generation capacity of the basic load and about half of all capacity, but its use is under great pressure due to pollution problems and especially carbon dioxide greenhouse gas emissions. Nuclear use has been limited by high production costs, largely driven by the very low thermal efficiency of its steam cycle, which requires a very large reactor in relation to the amount of electricity that can be generated because of its low temperature saturated steam.

Biomassa tem sido investigada, mas, em virtude do alto teor de água e baixa densidade de energia não é possível atingir temperaturas de combustão equiparáveis à combustão do carvão. Isto resulta em menores eficiências de vapor saturado de baixa temperatura, muito parecido com aquelas que limitam a energia nuclear.Biomass has been investigated, but due to the high water content and low energy density it is not possible to reach combustion temperatures comparable to coal combustion. This results in lower efficiencies of low temperature saturated steam, much like those that limit nuclear energy.

Aplicações atuais para abordagem de problemas ambientais e de eficiência centralizam em instalações de múltiplos usos. Essas instalações usam uma única fonte de energia para atender a diversas necessidades, muitas pela exploração de sinergias entre controle de emissões e energia residual ou produtos de combustão não utilizados. Esta patente propõe uma abordagem mais efetiva para instalação de múltiplos usos, usando mais de uma fonte de energia em uma usina de energia híbrida para usar as vantagens das tecnologias separadas para abordar as desvantagens secundárias. Uma usina híbrida combinando as tecnologias existentes de usinas de energia nuclear ou usinas de energia de biomassa interconectadas a uma usina de carvão modificada resultaria em um processo térmico total que teria um ciclo térmico bastante melhorado, aumentando assim saída elétrica praticamente no dobro dos mesmos conjuntos de entradas, comparado com configurações 'independentes', dessa forma reduzindo drasticamente o custo, poluição e emissões de dióxido de carbono em relação às duas usinas independentes desses projetos.Current applications for addressing environmental and efficiency problems center on multi-purpose installations. These facilities use a single source of energy to meet diverse needs, many by exploiting synergies between emissions control and residual energy or unused combustion products. This patent proposes a more effective approach for installing multiple uses, using more than one energy source in a hybrid power plant to use the advantages of separate technologies to address secondary disadvantages. A hybrid plant combining existing technologies from nuclear power plants or biomass power plants interconnected to a modified coal plant would result in a total thermal process that would have a greatly improved thermal cycle, thereby increasing electrical output by almost twice the same sets of inputs, compared to 'independent' configurations, thereby drastically reducing cost, pollution and carbon dioxide emissions compared to the two independent plants for these projects.

Usinas de combustível fóssil alimentadas a carvão geralmente operam a níveis máximos de eficiência térmica, com a saída elétrica para aquecer frações de entrada da unidade na faixa de 30-45 %. Isto é conseguido por meio de um ciclo de vapor de três etapas. Primeiro, a água de alimentação da caldeira é pré-aquecida com o vapor de extração de gases de combustão efluentes de baixa temperatura para aumentar a temperatura do condensador até aproximadamente 450 - 500°F (232 - 260 °C). Uma vez que a água de alimentação é adicionada à caldeira, ela é aquecida e convertida em vapor saturado a temperaturas de 500 — 600°F (260 - 316 °C). Uma vez que o vapor é formado na caldeira, ele passa através de tubos de superaquecimento na seção mais quente da coluna de gás efluente onde o vapor tem a temperatura aumentada para 1.100°F - 1.200°F (593 - 650 °C). Este vapor superaquecido então passa através de uma série de turbinas de pressão alta, intermediária e baixa, onde energia é extraída e eletricidade é produzida por geradores mecanicamente anexados nas turbinas. Uma etapa final em um processo de usina alimentada a carvão para geração de eletricidade é que o ar que está sendo arrastado para a fornalha passa através dos gases efluentes de temperatura mais baixa para pré-aquecer o ar que chega e aumentar a temperatura de combustão.Coal-fired fossil fuel plants generally operate at maximum levels of thermal efficiency, with the electrical output to heat unit input fractions in the range of 30-45%. This is achieved through a three-step steam cycle. First, the boiler feedwater is preheated with the low temperature flue gas extraction steam to increase the condenser temperature to approximately 450 - 500 ° F (232 - 260 ° C). Once the feed water is added to the boiler, it is heated and converted to saturated steam at temperatures of 500 - 600 ° F (260 - 316 ° C). Once the steam is formed in the boiler, it passes through superheat tubes in the hottest section of the effluent gas column where the steam is raised to 1,100 ° F - 1,200 ° F (593 - 650 ° C). This superheated steam then passes through a series of high, intermediate and low pressure turbines, where energy is extracted and electricity is produced by generators mechanically attached to the turbines. A final step in a coal-fired power plant process for generating electricity is that the air being drawn into the furnace passes through the lower temperature effluent gases to preheat incoming air and increase the combustion temperature.

Uma usina alimentada a carvão é muito eficiente, mas, mesmo neste tipo de usina, a maior parte da energia de combustão é perdida. Dos 1.512 BTUs (1595,2 kJ) necessários para aquecer uma libra (0,45 kg) de água de alimentação ambiente 140°F (60°C) a uma libra (0,45 kg) de vapor superaquecido a 1.200°F (650°C), vapor a 1.000 psi (6,89 MPa), 1.014 BTUs (1069,8 kJ) ou 67 % da energia de entrada vão para a conversão da água em vapor e não podem ser recuperados como saída elétrica. Aproximadamente outros 40 BTUs (42,2 kJ) (cerca de 3 % do total) são também perdidos de forma irrecuperável em cada ciclo. Os condensadores à jusante das turbinas operarão a um vácuo, de forma que o vapor não reconverterá em água no ponto de ebulição normal 212°F (100°C), mas a uma temperatura de 140°F (60°C). Entretanto, esta água continuará resfriar até a temperatura do rio ou lago que está sendo usado como o dissipador de calor, e este calor terá que ser substituído no ciclo seguinte. Energia útil (para conversão em eletricidade) pode ser extraída do vapor de 1.200°F (650°C) em vapor a 140°F (60°C). Isto significa que menos que uma a cada duas toneladas de dióxido de carbono que uma usina alimentada a carvão emite na atmosfera jamais é usada para produzir eletricidade.A coal-fired plant is very efficient, but even in this type of plant, most of the combustion energy is lost. Of the 1,512 BTUs (1595.2 kJ) required to heat one pound (0.45 kg) of 140 ° F (60 ° C) ambient feed water to one pound (0.45 kg) of superheated steam at 1,200 ° F ( 650 ° C), steam at 1,000 psi (6.89 MPa), 1,014 BTUs (1069.8 kJ) or 67% of the input energy goes into converting water to steam and cannot be recovered as an electrical outlet. Approximately another 40 BTUs (42.2 kJ) (about 3% of the total) are also irretrievably lost in each cycle. The condensers downstream of the turbines will operate at a vacuum, so that the steam will not convert back to water at the normal boiling point 212 ° F (100 ° C), but at a temperature of 140 ° F (60 ° C). However, this water will continue to cool until the temperature of the river or lake that is being used as the heat sink, and this heat will have to be replaced in the next cycle. Useful energy (for conversion to electricity) can be extracted from 1,200 ° F (650 ° C) steam to 140 ° F (60 ° C) steam. This means that less than one in two tons of carbon dioxide that a coal-fired power plant emits into the atmosphere is never used to produce electricity.

O uso de biomassa no lugar de carvão em uma caldeira exige uma configuração muito parecida com a de uma caldeira de carvão pulverizado, embora a operação da usina seja alterada. Embora exista uma emissão de carbono “zero líquido” dessas instalações, biomassa tem uma menor densidade de energia e temperatura de chama do que carvão quando queimado nas mesmas condições. Isto reduz a quantidade de energia que pode ser transferida para a água de alimentação, reduzindo a temperatura do vapor normalmente para vapor com não mais de 850 F (454 °C). Em virtude de uma menor temperatura operacional, uma menor pressão operacional é usada para aumentar a eficiência do ciclo, e assim uma pressão operacional de 850 psi (5,9 MPa) é considerada. Isto é uma adição de calor de 1.317 BTUs (1395,5 kJ) por libra (0,45 kg) na água de alimentação ambiente, dos quais cerca de 1.014 BTUs (1069,8 kJ) são perdidos por causa da mudança de fase de vapor para água e outras perdas. Isto faz com que 77 % da energia não fiquem disponíveis para produzir eletricidade.The use of biomass instead of coal in a boiler requires a configuration very similar to that of a pulverized coal boiler, although the operation of the plant is changed. Although there is a “zero liquid” carbon emission from these facilities, biomass has a lower energy density and flame temperature than coal when burned under the same conditions. This reduces the amount of energy that can be transferred to the feed water, reducing the steam temperature normally to steam not more than 850 F (454 ° C). Due to a lower operating temperature, a lower operating pressure is used to increase the efficiency of the cycle, so an operating pressure of 850 psi (5.9 MPa) is considered. This is a heat addition of 1,317 BTUs (1395.5 kJ) per pound (0.45 kg) in ambient feed water, of which approximately 1,014 BTUs (1069.8 kJ) are lost due to the phase change of steam to water and other losses. This means that 77% of the energy is not available to produce electricity.

A tecnologia de ponta das usinas de energia nuclear atuais (incluindo reatores de água leve pressurizada, reatores de água fervente, e projetos de água pesada CANDU) é extremamente estável, segura e isenta de emissão. Sua saída elétrica é extremamente restrita, entretanto, pela necessidade de limitar a máxima temperatura no núcleo do reator em aproximadamente 600°F (316°C) (reatores de água fervente operam a menores temperaturas do núcleo de cerca de 540 - 550°F (555 - 561°C)) para impedir perda de refrigerante e dano nos elementos de combustível. Isto resulta em uma usina com reator bastante superdimensionado e em perda de uma alta porcentagem dos BTUs (1,06 kJ) gerado. Isto resulta em poluição térmica excessiva - o aquecimento localizado das massas de água que servem como dissipadores de calor para os condensadores das unidades de turbina a vapor.The cutting edge technology of today's nuclear power plants (including pressurized light water reactors, boiling water reactors, and CANDU heavy water projects) is extremely stable, safe and emission-free. Its electrical output is extremely restricted, however, due to the need to limit the maximum temperature in the reactor core to approximately 600 ° F (316 ° C) (boiling water reactors operate at lower core temperatures of around 540 - 550 ° F ( 555 - 561 ° C)) to prevent loss of refrigerant and damage to fuel elements. This results in a plant with a very oversized reactor and loss of a high percentage of BTUs (1.06 kJ) generated. This results in excessive thermal pollution - the localized heating of the bodies of water that serve as heat sinks for the condensers of the steam turbine units.

A usina de energia nuclear tem somente duas ou três etapas do ciclo de vapor. Essencialmente não é adicionado nenhum superaquecimento ao ciclo de vapor, já que a água no gerador de vapor já está em contato com a água mais quente que passa através do reator. Existem métodos de préaquecer a água de alimentação que entra no gerador de vapor, mas isto é feito somente com vapor de extração, exigindo uma maior vazão de vapor para a mesma saída elétrica. A água refrigerante primária em contato com o núcleo do reator aquece até 600°F (316°C) antes de ir para o gerador de vapor (a mesma função da caldeira na usina alimentada a carvão) e converter água secundária em vapor a cerca de 575°F (302°C) com uma pressão operacional de 400 psi (2,76 MPa) para aumentar a eficiência. Isto resulta em um ciclo de vapor onde somente 1.199 BTUs (1265 kJ) podem ser adicionados a cada libra (0,45 kg) de vapor, também os mesmos 1.014 BTUs (1069,8 kJ) são perdidos na mudança da água em/de vapor, de forma que 85 % da entrada de energia térmica jamais podem ser usados na criação de energia elétrica. Combinando-se as maiores temperaturas obteníveis em um forno de carvão com o vapor de baixa temperatura de uma instalação nuclear ou de biomassa, uma maior eficiência pode ser realizada com menos emissões, comparadas com qualquer projeto sozinho.The nuclear power plant has only two or three stages of the steam cycle. Essentially no overheating is added to the steam cycle, as the water in the steam generator is already in contact with the hotter water that passes through the reactor. There are methods of preheating the feed water that enters the steam generator, but this is done only with extraction steam, requiring a higher flow of steam for the same electrical outlet. The primary coolant water in contact with the reactor core heats up to 600 ° F (316 ° C) before going to the steam generator (the same function as the boiler in the coal-fired plant) and converting secondary water into steam at about 575 ° F (302 ° C) with an operating pressure of 400 psi (2.76 MPa) to increase efficiency. This results in a steam cycle where only 1,199 BTUs (1265 kJ) can be added for every pound (0.45 kg) of steam, also the same 1,014 BTUs (1069.8 kJ) are lost when changing water in / from steam, so that 85% of the thermal energy input can never be used to create electrical energy. By combining the highest temperatures obtainable in a coal oven with the low temperature steam from a nuclear or biomass installation, greater efficiency can be achieved with less emissions compared to any project alone.

Uma pesquisa da tecnologia anterior foi conduzida e as patentes relacionadas seguintes foram descobertas. Nenhuma dessas patentes preceitua ou sugere nenhum método ou dispositivo que corresponde a esta invenção.Research on the prior art was conducted and the following related patents were discovered. None of these patents provides or suggests any method or device that corresponds to this invention.

A patente U.S. 3.575.002 de Vuia foi de um projeto que roteava o vapor saturado de uma usina de energia nuclear padrão através da seção do superaquecedor de um forno de combustível fóssil em uma usina de energia convencional. Embora seja uma solução viável, a maior parte da entrada de energia no sistema é de carvão, já que esta é uma usina de energia de fóssil combustível em escala comercial com uma seção do superaquecedor ligeiramente maior no forno. Este projeto de Vuia propõe um desenho com duas usinas de energia independentes nas quais a instalação nuclear é assistida pela usina de carvão. Ao contrário, esta invenção propõe uma única usina de energia híbrida integrada que usa a energia do carvão somente para adicionar superaquecimento ao vapor, diminuindo a quantidade de carvão usado para gerar a mesma quantidade de energia.U.S. patent 3,575,002 to Vuia was for a project that routed saturated steam from a standard nuclear power plant through the superheat section of a fossil fuel furnace in a conventional power plant. Although it is a viable solution, most of the energy input to the system is from coal, as this is a commercial scale fossil fuel power plant with a slightly larger section of the superheater in the furnace. This Vuia project proposes a design with two independent power plants in which the nuclear installation is assisted by the coal plant. On the contrary, this invention proposes a single integrated hybrid power plant that uses coal energy only to add superheat to the steam, decreasing the amount of coal used to generate the same amount of energy.

A patente U.S. 4.530.814 de Schluderberg usa a energia térmica de uma usina alimentada a fóssil para produzir vapor. Este vapor é então roteado através de uma unidade de separador/reaquecedor de umidade para adicionar vapor que já foi expandido através de uma turbina de alta pressão. Este desenho usa o combustível fóssil exclusivamente para adicionar superaquecimento ao vapor do processo nuclear, mas só faz isto indiretamente e somente depois que a pressão de vapor tiver sido reduzida. Neste desenho, o vapor da usina de energia escoa novamente, permanece separado e a usina de carvão somente provê um reaquecimento para assistir a usina de energia nuclear, e não é disponível nenhuma energia para pré-aquecer a água de alimentação.U.S. patent 4,530,814 to Schluderberg uses the thermal energy of a fossil-fueled plant to produce steam. This steam is then routed through a moisture separator / reheater unit to add steam that has already been expanded through a high pressure turbine. This design uses fossil fuel exclusively to add superheat to the steam from the nuclear process, but only does this indirectly and only after the vapor pressure has been reduced. In this design, the steam from the power plant drains out again, remains separate and the coal plant only provides a reheat to assist the nuclear power plant, and no energy is available to preheat the feed water.

A patente U.S. 5.361.377 de Miller descreve o uso de superaquecedores antes da turbina de alta pressão e na seção do separador/reaquecedor de umidade entre turbinas. O superaquecedor descrito pode receber energia tanto da combustão de combustível fóssil quanto de vapor de uma usina de combustível fóssil adjacente. A descrição não é clara de como o superaquecedor podería usar tanto vapor quanto combustível fóssil. O desenho também não consegue fazer uso total dos gases combustíveis exaustos para pré-aquecer a água de alimentação e o ar de combustão, indicando que é uma unidade de queimador pequena e não um forno de queima de carvão de tamanho normal. Parece que este desenho diz respeito somente a um superaquecedor aquecido extemamente em uma usina de energia nuclear.Miller's U.S. patent 5,361,377 describes the use of superheaters before the high pressure turbine and in the moisture separator / reheater section between turbines. The described superheater can receive energy from both fossil fuel combustion and steam from an adjacent fossil fuel plant. The description is not clear how the superheater could use both steam and fossil fuel. The design also fails to make full use of the exhausted combustible gases to preheat the feed water and the combustion air, indicating that it is a small burner unit and not a full-size coal-burning furnace. It appears that this design concerns only a superheater heated to the extreme in a nuclear power plant.

A patente U.S. 5.457.721 de Tsiklauri usa um sistema de ciclo combinado com os gases de exaustão quentes de uma unidade de turbina de gás alimentada com gás natural que aquece água de alimentação e produz vapor. O vapor deste gerador de vapor de recuperação de calor é então usado para superaquecer o vapor de um gerador de vapor de energia nuclear. Depois que o vapor é expandido na turbina de alta pressão, as duas correntes de fluido são misturadas e aumentadas por mais vapor do gerador de vapor de recuperação de calor e usadas na turbina de baixa pressão. Este uso de um gerador de vapor de recuperação de calor diminui a eficiência do sistema, oposto ao uso de toda a energia para aumentar o superaquecimento. A mistura do vapor de ambas as fontes diminui esta perda de eficiência, mas exigiría controles mais rigorosos da composição química da água.U.S. patent 5,457,721 to Tsiklauri uses a combined cycle system with the hot exhaust gases from a gas turbine unit powered with natural gas that heats feed water and produces steam. The steam from this heat recovery steam generator is then used to overheat the steam from a nuclear powered steam generator. After the steam is expanded in the high pressure turbine, the two fluid streams are mixed and increased by more steam from the heat recovery steam generator and used in the low pressure turbine. This use of a heat recovery steam generator decreases the efficiency of the system, as opposed to using all energy to increase overheating. Mixing the steam from both sources decreases this loss of efficiency, but would require stricter controls on the chemical composition of the water.

A patente U.S. 6.244.033 de Wylie usa a exaustão de uma unidade de turbina de gás alimentada com gás natural para superaquecer diretamente o vapor de um gerador de vapor nuclear. Ela também faz uso dos gases de exaustão para pré-aquecer a água de alimentação e provê uma unidade de queima suplementar para garantir que existe energia suficiente para prover o superaquecimento e pré-aquecimento. Notável nesta patente é que ela especifica que o superaquecimento e o pré-aquecimento podem ser adicionados pelo uso de calor de gás natural adicional sozinho, se a unidade de turbina a gás não estiver em operação. Não existe provisão para o uso de carvão nesta patente, mas somente de gás natural mais caro.U.S. patent 6,244,033 to Wylie uses the exhaust from a gas turbine unit powered with natural gas to directly overheat steam from a nuclear steam generator. It also makes use of the exhaust gases to preheat the feed water and provides an additional firing unit to ensure that there is enough energy to provide overheating and preheating. Notable in this patent is that it specifies that overheating and preheating can be added by using additional natural gas heat alone, if the gas turbine unit is not in operation. There is no provision for the use of coal in this patent, but only more expensive natural gas.

Sumário da InvençãoSummary of the Invention

A presente invenção, em uma modalidade preferida, toma a saída de vapor saturado de uma usina de energia nuclear e passa-a através de uma caldeira de usina alimentada a carvão modificada, e então o vapor superaquecido produzido da usina de carvão é enviado para as turbinas onde a energia é extraída e convertida em eletricidade. A usina de energia nuclear seria alterada apenas minimamente em relação aos desenhos existentes, a única revisão no desenho seria o aumento do tamanho dos geradores de vapor em cerca de 15 % em relação ao tamanho do núcleo do reator, já que a água de alimentação seria pré-aquecida a cerca de 450°F (232°C) antes de entrar no gerador de vapor, de forma que o calor do reator seria usado quase exclusivamente na conversão da água em vapor, e não tanto no aquecimento da água quanto na sua conversão em vapor. Em uma modalidade alternativa, uma usina de energia alimentada com biomassa toma o lugar da usina de energia nuclear para prover vapor à usina alimentada a carvão modificada.The present invention, in a preferred embodiment, takes the saturated steam output from a nuclear power plant and passes it through a modified coal-fired plant boiler, and then the superheated steam produced from the coal plant is sent to the turbines where energy is extracted and converted into electricity. The nuclear power plant would be changed only minimally in relation to the existing drawings, the only revision in the drawing would be to increase the size of the steam generators by about 15% in relation to the size of the reactor core, since the feed water would be preheated to about 450 ° F (232 ° C) before entering the steam generator, so that the heat from the reactor would be used almost exclusively for converting water to steam, rather than heating the water as it does conversion to steam. In an alternative embodiment, a biomass-powered power plant takes the place of the nuclear power plant to supply steam to the modified coal-fired power plant.

Embora esta patente seja aplicável a qualquer forno alimentado a carvão, um desenho de carvão pulverizado é descrito aqui para mostrar a utilidade desta invenção. A unidade alimentada a carvão seria modificada mais significativamente, já que a seção da caldeira a vapor (a seção de temperatura intermediária do desenho atual) seria eliminada. A seção do tubo de superaquecimento da unidade seria bastante expandida para aceitar o vapor saturado do reator e aumentar bastante a sua temperatura antes enviar o vapor superaquecido para fora das turbinas. Na fornalha, os tubos onde passam gases efluentes acima de 800°F (427°C) seriam usados para superaquecer o vapor produzido no reator, enquanto os tubos na área onde gases efluentes estão abaixo de 800°F (427°C) seriam usados para pré-aquecer água de alimentação. Considerando que a temperatura máxima na fornalha é cerca de 2.000°F (1.366°C), cerca de 75 % do calor iriam para o superaquecimento de vapor saturado a 575°F (302°C) para vapor superaquecido a 1.200°F (650°C), ao passo que os demais 25 % iriam no sentido do pré-aquecimento da água de alimentação antes de entrar no reator. Isto resultaria em uma usina alimentada a carvão com a metade de seu tamanho original e um quarto de suas emissões originais de dióxido de carbono para a mesma saída elétrica. Construímos nossos modelos econômicos com a suposição de que a solução ideal será construir a fornalha para operar em tomo de 2.000°F (1.366°C) e usar de materiais normais no desenho dos tubos de superaquecimento. Percebemos que existe uma abordagem alternativa de usar materiais mais exóticos e de custo mais alto na fabricação dos tubos e aumentar a eficiência operacional por meio de temperaturas mais altas para substituir os materiais de custo mais alto. Pretendemos que esta patente cubra ambas as abordagens.Although this patent is applicable to any coal-fired oven, a pulverized coal design is described here to show the utility of this invention. The coal-fired unit would be modified more significantly, since the steam boiler section (the intermediate temperature section of the current design) would be eliminated. The section of the unit's superheat tube would be greatly expanded to accept saturated steam from the reactor and increase its temperature considerably before sending the superheated steam out of the turbines. In the furnace, tubes where effluent gases pass above 800 ° F (427 ° C) would be used to overheat the steam produced in the reactor, while tubes in the area where effluent gases are below 800 ° F (427 ° C) would be used to preheat feed water. Considering that the maximum temperature in the furnace is about 2,000 ° F (1,366 ° C), about 75% of the heat would go to superheat saturated steam to 575 ° F (302 ° C) for steam superheated to 1,200 ° F (650 ° C), while the remaining 25% would go in the direction of pre-heating the feed water before entering the reactor. This would result in a coal-fired plant half its original size and a quarter of its original carbon dioxide emissions for the same electrical outlet. We built our economical models with the assumption that the ideal solution would be to build the furnace to operate around 2,000 ° F (1,366 ° C) and use normal materials in the design of the superheat tubes. We realized that there is an alternative approach to using more exotic and higher-cost materials in the manufacture of tubes and increasing operational efficiency through higher temperatures to replace higher-cost materials. We intend this patent to cover both approaches.

Quando o lado nuclear é levando em consideração, a eletricidade produzida para qualquer dado tamanho de reator aumentaria em pelo menos 3 vezes sua saída independente. Isto seria o resultado do aumento de 15 % no vapor saturado gerado em decorrência do pré-aquecimento adicional da água de alimentação no economizador da usina de combustível, bem como a adição de superaquecimento do carvão. O superaquecimento do vapor na unidade alimentada a carvão adicionaria 316 BTUs (333,4 kJ) recuperáveis aos 181 que existiam quando o vapor deixado na instalação nuclear, para um aumento de 175 %. A soma de 115 % do volume de vapor saturado vezes os 275 % de adição de superaquecimento resulta em 3,16 vezes a produção de energia. Um outro fator é que turbinas que utilizam vapor superaquecido são mais eficientes do que aquelas que operam com vapor saturado, de forma que um aumento adicional na saída elétrica pode ser obtido.When the nuclear side is taken into account, the electricity produced for any given reactor size would increase its independent output by at least 3 times. This would be the result of a 15% increase in the saturated steam generated as a result of the additional preheating of the feed water in the fuel plant's economizer, as well as the addition of coal overheating. Overheating the steam in the coal-fired unit would add 316 BTUs (333.4 kJ) recoverable to the 181 that existed when the steam left in the nuclear facility, for an increase of 175%. The sum of 115% of the volume of saturated steam times the 275% addition of superheat results in 3.16 times the production of energy. Another factor is that turbines that use superheated steam are more efficient than those that operate with saturated steam, so that an additional increase in electrical output can be obtained.

Usinas de energia nuclear têm historicamente sido construídas com múltiplas unidades em sítios individuais. Dos 63 sítios ativos de estações de energia nuclear nos Estados Unidos, 37 têm ou tiveram dois ou três reatores, embora somente 26 tenham sido construídos como sítios de reatores individuais. No Canadá, existem dois sítios com quatro reatores ativos (cada qual planejado para oito) junto com um sítio com dois reatores e um único sítio isolado com uma usina de energia. A maioria das usinas é construída em proximidade imediata com um lago ou rio para prover uma fonte de resfriamento para os condensadores. Existe também a necessidade de acesso ferroviário para prover um meio econômico de prover o suprimento de carvão para a porção de alimentada a combustível fóssil da usina. Essas necessidades não são restritivas, já que a maioria das linhas ferroviárias segue leitos de rios para evitar curvas significativas.Nuclear power plants have historically been built with multiple units at individual sites. Of the 63 active sites for nuclear power stations in the United States, 37 have or have had two or three reactors, although only 26 have been built as individual reactor sites. In Canada, there are two sites with four active reactors (each planned for eight) along with a site with two reactors and a single isolated site with a power plant. Most plants are built in close proximity to a lake or river to provide a cooling source for the condensers. There is also a need for rail access to provide an economical means of providing the coal supply for the fossil fueled portion of the plant. These needs are not restrictive, as most railway lines follow river beds to avoid significant turns.

Benefícios similares podem ser conseguidos em usinas de energia alimentadas a biomassa, com 194 BTUs (204,7 kJ) adicionais de energia recuperável por libra (0,45 kg) de água de alimentação. Isto seria combinado com turbinas de vapor de maior eficiência para dar um aumento de eficiência acima de 55 %. Além do mais, este desenho exigiría menos biomassa para a geração da mesma quantidade de eletricidade, permitindo que a maior parte dessas usinas de energia seja posta em serviço para uma dada fonte de combustível.Similar benefits can be achieved in biomass powered power plants, with an additional 194 BTUs (204.7 kJ) of recoverable energy per pound (0.45 kg) of feed water. This would be combined with more efficient steam turbines to give an efficiency increase of over 55%. Furthermore, this design would require less biomass to generate the same amount of electricity, allowing most of these power plants to be put into service for a given fuel source.

Descrição Resumida dos DesenhosBrief Description of Drawings

A figura la é um diagrama esquemático mostrando a água de alimentação e temperaturas do vapor de um reator nuclear independente exemplar, e a figura 1b é um diagrama esquemático de uma usina de energia híbrida da presente invenção em que o reator da figura la foi combinado com uma usina alimentada a carvão.Figure la is a schematic diagram showing the feed water and steam temperatures of an exemplary independent nuclear reactor, and figure 1b is a schematic diagram of a hybrid power plant of the present invention in which the reactor in figure la has been combined with a coal-fired power plant.

A figura 2a é um diagrama esquemático dos elementos principais de uma usina de energia nuclear independente exemplar, e a figura 2b é um diagrama esquemático dos elementos principais de uma usina alimentada a carvão de energia independente exemplar.Figure 2a is a schematic diagram of the main elements of an exemplary independent nuclear power plant, and figure 2b is a schematic diagram of the main elements of an exemplary independent coal-fired power plant.

A figura 3 é um diagrama esquemático correspondente à figura 2, em que as usinas de energia foram modificadas e interconectadas para formar uma usina de energia híbrida da presente invenção.Figure 3 is a schematic diagram corresponding to figure 2, in which the power plants have been modified and interconnected to form a hybrid power plant of the present invention.

A figura 4 é um gráfico do teor de energia do vapor para a usina de energia descrita neste relatório. Os valores de entalpia são mostrados para 400 psi (2,76 MPa); o teor de energia é aumentado adicionalmente com o uso de sistemas de maior pressão. Esta figura mostra a energia útil adicional que pode ser extraída do vapor usando a presente invenção.Figure 4 is a graph of the energy content of the steam for the power plant described in this report. The enthalpy values are shown for 400 psi (2.76 MPa); the energy content is further increased with the use of higher pressure systems. This figure shows the additional useful energy that can be extracted from the steam using the present invention.

A figura 5 é uma tabela de estatística comparando a saída elétrica anual, custos anuais e emissões anuais de dois reatores nucleares independentes e uma usina alimentada a carvão independente versus uma usina de energia híbrida da presente invenção em que as duas usinas nucleares foram interconectadas na usina alimentada a carvão de acordo com a presente invenção.Figure 5 is a statistical table comparing the annual electrical output, annual costs and annual emissions of two independent nuclear reactors and an independent coal-fired plant versus a hybrid power plant of the present invention in which the two nuclear plants were interconnected at the plant coal-fired according to the present invention.

A figura 6 é um diagrama esquemático de um reator nuclear a água pulverizada independente exemplar.Figure 6 is a schematic diagram of an exemplary independent sprayed water nuclear reactor.

A figura 7 é um diagrama esquemático correspondente à figura 6 na qual o reator de água pressurizada foi interconectado a uma usina alimentada a carvão de acordo com a presente invenção.Figure 7 is a schematic diagram corresponding to figure 6 in which the pressurized water reactor has been interconnected to a coal-fired plant in accordance with the present invention.

A figura 8 é um gráfico que compara os três exemplos econômicos apresentados neste pedido e mostra uma surpreendente consistência de melhorias da eficiência inerentes na presente invenção.Figure 8 is a graph that compares the three economic examples presented in this application and shows a surprising consistency of efficiency improvements inherent in the present invention.

Descrição da InvençãoDescription of the Invention

Exemplo 1 - Esquema da usina de energia híbridaExample 1 - Scheme of the hybrid power plant

Neste exemplo, um reator nuclear de água pressurizada dedicado (figuras la e 2a) é interconectado a uma usina de energia alimentada a carvão independente com a seção de fervura substituída por um superaquecedor estendido (figura 2b), formando a usina de energia híbrida representada na figura lb e na figura 3.In this example, a dedicated pressurized nuclear water reactor (figures la and 2a) is interconnected to an independent coal-fired power plant with the boiling section replaced by an extended superheater (figure 2b), forming the hybrid power plant represented in figure lb and figure 3.

Exemplo 2 - Estimativa Geral de Custo e Reduções de EmissõesExample 2 - General Cost Estimation and Emission Reductions

Uma estimativa geral do custo e reduções de emissões pode ser feita examinando a adição de um forno de carvão às duas usinas de energia nuclear existentes. Considere duas usinas de energia nuclear de 1.190 MW que são interconectadas a uma usina de energia alimentada a carvão dimensionada para fornecer 1.075 MW se ela tivesse sido projetada como uma unidade independente. Seguindo o gráfico da figura 4, e as suposições providas nas figuras, as estatísticas de produção anual de energia, custos anuais de operação e emissões anuais são apresentados na figura 5. Pode-se ver que, quando interconectadas de acordo com a presente invenção, essas três unidades, que teriam uma capacidade de 3.455 MW se projetadas e operadas como unidades independentes, teriam uma capacidade de 5.930 MW. Isto resulta em uma redução de cerca de 36 % no custo por kilowatthora de eletricidade produzida e uma redução nas emissões de carbono de cerca de 80 %.A general estimate of the cost and emission reductions can be made by examining the addition of a coal oven to the two existing nuclear power plants. Consider two 1,190 MW nuclear power plants that are interconnected to a coal-fired power plant sized to supply 1,075 MW if it had been designed as an independent unit. Following the graph in figure 4, and the assumptions provided in the figures, the statistics of annual energy production, annual operating costs and annual emissions are presented in figure 5. It can be seen that, when interconnected in accordance with the present invention, these three units, which would have a capacity of 3,455 MW if designed and operated as independent units, would have a capacity of 5,930 MW. This results in a reduction of around 36% in the cost per kilowatt of electricity produced and a reduction in carbon emissions of around 80%.

Exemplo 3 - Estimativa Detalhada de Custo e Redução de EmissõesExample 3 - Detailed Cost Estimation and Emission Reduction

Para mostrar os benefícios econômicos e ambientais deste conceito, este exemplo fundamenta-se em instalações existentes. Para esta comparação, um modelo de linha de base para uma usina de energia de reator de água pressurizada foi modelada para permitir comparação. Dados e parâmetros operacionais da Wolf Creek Nuclear Generating Station [Black & Veatch] são usados para desenvolver o modelo. Esta comparação pode também ser estendida a uma instalação alimentada a biomassa e carvão com parâmetros apropriados.To show the economic and environmental benefits of this concept, this example builds on existing facilities. For this comparison, a baseline model for a pressurized water reactor power plant was modeled to allow comparison. Wolf Creek Nuclear Generating Station [Black & Veatch] data and operating parameters are used to develop the model. This comparison can also be extended to a facility powered by biomass and coal with appropriate parameters.

A Wolf Creek Nuclear Generating Station usada é uma usina de energia de 1.190 MW em Burlington, KS. O projeto é uma usina de reator de água pressurizada (PWR) de 4 circuitos da Westinghouse. Entre outros detalhes, um separador/reaquecedor de umidade e sete aquecedores de água de alimentação fechados são usados no sistema de vapor secundário para aumentar a eficiência. A usina opera como um ciclo de Rankine de vapor saturado, e assim não existe superaquecimento do vapor dos geradores de vapor.The Wolf Creek Nuclear Generating Station used is a 1,190 MW power plant in Burlington, KS. The project is a Westinghouse 4-circuit pressurized water reactor (PWR) plant. Among other details, a moisture separator / reheater and seven closed feed water heaters are used in the secondary steam system to increase efficiency. The plant operates as a saturated steam Rankine cycle, so there is no overheating of the steam from the steam generators.

Durante estado de operação estacionário, o reator é usado para aquecer o refrigerante primário, que, por sua vez, é usado para aquecer o refrigerante secundário, fazendo com que ele ferva. A circulação em cada circuito de refrigerante primário é provida por uma bomba de refrigerante do reator. O vapor saturado produzido nas unidades geradoras de vapor é entregue através da tubulação a uma turbina de pressão intermediária, onde um certo trabalho é produzido. Depois de sair da turbina de pressão intermediária, o vapor passa através de um separador de umidade para secar o vapor para impedir dano na turbina. O vapor passa então através de uma turbina de baixa pressão, onde o restante da energia disponível é extraída. Um condensador na saída da turbina de baixa pressão condensa o vapor (agora denominado água de alimentação) de forma que ele possa ser bombeado de volta para o gerador de vapor usando bombas de condensado e bombas de alimentação. Este vapor condensado passa através de sete aquecedores de água de alimentação fechados (CFWH) no caminho de volta para o gerador de vapor: quatro entre as bombas de condensado e bombas de alimentação e três entre as bombas de alimentação e o gerador de vapor. Esses CFWHs são trocadores de calor que usam vapor extraído de diferentes estágios das turbinas para pré-aquecer a água de alimentação antes de ela retomar para o gerador de vapor. Isto redireciona parte da energia de volta para o gerador de vapor, em vez de rejeitá-la no condensador, aumentando assim a eficiência. Os CFWHs antes das bombas de alimentação drenam para o condensador, enquanto aqueles depois das bombas de alimentação drenam para um tanque comum, do qual eles são retomados para o sistema na entrada das bombas de alimentação usando uma bomba de dreno separada.During steady state of operation, the reactor is used to heat the primary refrigerant, which, in turn, is used to heat the secondary refrigerant, causing it to boil. Circulation in each primary refrigerant circuit is provided by a reactor refrigerant pump. The saturated steam produced in the steam generating units is delivered through the pipeline to an intermediate pressure turbine, where a certain amount of work is produced. After leaving the intermediate pressure turbine, the steam passes through a moisture separator to dry the steam to prevent damage to the turbine. The steam then passes through a low pressure turbine, where the rest of the available energy is extracted. A condenser at the outlet of the low pressure turbine condenses the steam (now called feed water) so that it can be pumped back into the steam generator using condensate pumps and feed pumps. This condensed steam passes through seven closed feed water heaters (CFWH) on the way back to the steam generator: four between the condensate pumps and feed pumps and three between the feed pumps and the steam generator. These CFWHs are heat exchangers that use steam extracted from different stages of the turbines to preheat the feed water before it returns to the steam generator. This redirects part of the energy back to the steam generator, instead of discarding it in the condenser, thereby increasing efficiency. CFWHs before the feed pumps drain into the condenser, while those after the feed pumps drain into a common tank, from which they are taken back to the system at the inlet to the feed pumps using a separate drain pump.

Algumas suposições simplificadas foram feitas no modelamento desta usina. O sistema é modelado em uma condição de estado estacionário. A pressão do condensador é considerada 1 psia (6,89 kPa abs.), perdas de pressão na tubulação de 1 % foram aplicadas através do sistema, e foi usada uma pressão de 2 % através do separador de umidade. Além do mais, 15 % da emergia produzida foram considerados uma perda para levar em conta perdas do gerador e cargas parasitas da usina de energia, tais como bombas de circulação da água de resfriamento, sistema de ar de alta pressão e instalações de tratamento de água. Como essas suposições são aplicadas a ambas as usinas de energia, não deve haver introdução de erros de tendenciosidade.Some simplified assumptions were made in modeling this plant. The system is modeled in a steady state condition. The condenser pressure is considered 1 psia (6.89 kPa abs.), Pressure losses in the pipeline of 1% were applied through the system, and a pressure of 2% was used through the moisture separator. Furthermore, 15% of the emergy produced was considered a loss to account for generator losses and parasitic loads from the power plant, such as cooling water circulation pumps, high pressure air system and water treatment facilities. . As these assumptions are applied to both power plants, there should be no introduction of bias errors.

Opção 1 - Manter a saída elétrica constanteOption 1 - Keep the electrical output constant

Convertida em BTUs (1,06 kJ) por hora, a saída elétrica de 1,19 MW é 4,06x109 BTU (428,3 x 109 kJ)/h. Para gerar esta saída elétrica, é necessário um reator produção de energia de l,375xlO10 BTU (1,45 x IO10 kJ)/h, que dá uma eficiência da usina de 29,5 %. A figura 6 dá um diagrama esquemático deste sistema. Por questão de simplificação, somente um circuito está mostrado na figura.Converted to BTUs (1.06 kJ) per hour, the electric output of 1.19 MW is 4.06x10 9 BTU (428.3 x 10 9 kJ) / h. To generate this electrical output is required l reactor power output, 375xlO 10 BTU (10 kJ 1.45 x IO) / hr, giving an 29.5% plant efficiency. Figure 6 gives a schematic diagram of this system. For the sake of simplicity, only one circuit is shown in the figure.

O modelo da instalação híbrida foi desenvolvido a partir do modelo de Wolf Creek Generating Station. As principais alterações foram a inserção de um forno alimentado a carvão para agir como um superaquecedor e economizador, e a eliminação da unidade de separação de umidade. O separador de umidade é desnecessário, já que vapor deve manter uma quantidade suficiente de superaquecimento na maior parte das turbinas de vapor. Essas alterações podem ser vistas no diagrama esquemático da usina de energia híbrida (A figura 7).The hybrid installation model was developed from the model of Wolf Creek Generating Station. The main changes were the insertion of a coal-fired oven to act as a superheater and economizer, and the elimination of the moisture separation unit. The moisture separator is unnecessary, as steam must maintain a sufficient amount of overheating in most steam turbines. These changes can be seen in the schematic diagram of the hybrid power plant (Figure 7).

Algumas mudanças também precisaram ser feitas nos parâmetros do sistema para levar em conta a adição de energia do carvão. A temperatura de saída do superaquecedor é considerada 1.200°F (650 °C), que é comparável com temperaturas de saída de vapor de forno a carvão moderno. Considera-se que este equipamento incorporado cause uma diminuição de 4 % na pressão no fluxo de vapor por causa das perdas por atrito. Entretanto, o aumento de 600°F (334°C) na temperatura do vapor supera esta queda de pressão.Some changes also needed to be made to the system parameters to account for the addition of energy from coal. The outlet temperature of the superheater is considered 1,200 ° F (650 ° C), which is comparable to steam outlet temperatures from a modern coal oven. This built-in equipment is considered to cause a 4% decrease in pressure in the vapor flow because of friction losses. However, the 600 ° F (334 ° C) rise in steam temperature overcomes this pressure drop.

O uso do economizador aumenta a temperatura da água de alimentação antes de ela entrar no gerador de vapor, diminuindo a quantidade de energia que precisa ser adicionada pelo circuito principal. Este calor é adicionado pelos gases de combustão que deixam o forno que estão a uma temperatura muito baixa para adicionar superaquecimento ao vapor, e assim esta reutilização da energia aumenta a eficiência. Esta adição de calor extra tanto do superaquecedor quanto do economizador necessita uma alteração nos parâmetros operacionais dos aquecedores de água de alimentação de circuito fechado, já que o vapor entregue por eles tem um maior teor térmico e menos calor precisa ser adicionado. Em decorrência do economizador e das alterações nos CFWHs, a água de alimentação entra no gerador de vapor a uma temperatura 80°F (27°C) mais alta do que na usina de PWR tradicional. Uma perda de pressão de 2 % foi adicionada ao economizador para levar em conta a energia extra necessárias para bombear a água de alimentação através da tubulação do trocador de calor.The use of the economizer increases the temperature of the feed water before it enters the steam generator, decreasing the amount of energy that needs to be added by the main circuit. This heat is added by the flue gases that leave the oven at a very low temperature to add overheating to the steam, and so this reuse of energy increases efficiency. This addition of extra heat from both the superheater and the economizer requires a change in the operating parameters of the closed-circuit water heaters, since the steam delivered by them has a higher thermal content and less heat needs to be added. As a result of the economizer and changes in the CFWHs, the feed water enters the steam generator at a temperature 80 ° F (27 ° C) higher than in the traditional PWR plant. A pressure loss of 2% has been added to the economizer to take into account the extra energy required to pump feed water through the heat exchanger tubing.

A única mudança nas suposições para o modelo da usina híbrida em relação à usina tradicional é que três porcento mais da energia elétrica das turbinas são considerados perda. Isto é uma estimativa conservadora que leva em conta as cargas parasitas adicionais, tais como ventiladores de arrasto induzido, moinhos de carvão e outros sistemas auxiliares associados com o sistema de combustível a carvão.The only change in assumptions for the hybrid plant model compared to the traditional plant is that three percent more of the turbines' electrical energy is considered a loss. This is a conservative estimate that takes into account additional parasitic loads, such as induced drag fans, coal mills and other auxiliary systems associated with the coal fuel system.

Para produzir os mesmos 1,19 MW de eletricidade do projeto tradicional, a instalação híbrida precisou de 6,951xl09 BTU (7,33 x 109 kJ)/h do reator, 50,5 % da entrada de energia do projeto básico de referência. Uma adição de 4,591xl09 BTU (4,84 x 109 kJ)/h de carvão é também necessária para acionar o superaquecedor, para uma entrada de calor total de 1,154x1010 BTU (1,22 xlO10 kJ)/h. A eficiência da usina para este sistema é calculada emTo produce the same 1.19 MW of electricity as the traditional project, the hybrid installation required 6.951x10 9 BTU (7.33 x 10 9 kJ) / h from the reactor, 50.5% of the energy input of the basic reference project . An addition of 4.591x10 10 BTU (4.84 x 10 9 kJ) / h of coal is also required to drive the superheater, for a total heat input of 1.154x10 10 BTU (1.22 x 10 10 kJ) / h. The plant's efficiency for this system is calculated in

35,5 %. Considerando um maior valor de aquecimento (teor de energia) de 10.000 BTU (10550 kJ)/lbm (0,45 kg) para o carvão e um custo de $40 por tonelada entregue, o custo por kilowatt hora atribuído ao carvão em uma usina de energia híbrida é $0,00452.35.5%. Considering a higher heating value (energy content) of 10,000 BTU (10550 kJ) / lbm (0.45 kg) for coal and a cost of $ 40 per ton delivered, the cost per kilowatt hour attributed to coal at a power plant. hybrid energy is $ 0.00452.

Opção II - Manter a saída do reator constante, aumentar a saída elétricaOption II - Keep the reactor output constant, increase the electrical output

Se a instalação nuclear primária fosse deixada como ela é, a classificação da instalação seria diminuída pela adição dos superaquecedores alimentados a carvão. Isto aumentaria a produção da usina em relação aos 1.190MW a 2.354MW originais. Mantendo-se o tamanho da usina do reator o mesmo, o custo de capital para construir a usina e os custos operacionais permaneceríam virtualmente os mesmos para os sistemas de reator, aumentando a produção elétrica em praticamente 98 % pela incorporação de um superaquecedor alimentado a carvão e a capacidade da turbina adicional de acomodar o maior fluxo de vapor. Usando as mesmas suposições de custo, isto levaria a um custo de $0,01011 por kWh em relação à instalação nuclear. Novamente usando o valor de $0,00452 por kWh previamente calculado para a energia de carvão em uma instalação híbrida, isto dá um custo geral de $0,01463 por kWh. Estas economias de $0,00537 por kWh representam uma economia de mais de 25 % para produção de eletricidade na usina de energia, ao mesmo tempo praticamente dobrando a capacidade.If the primary nuclear facility were left as it is, the facility's rating would be lowered by the addition of coal-fired superheaters. This would increase the plant's production from the original 1,190MW to 2,354MW. Keeping the size of the reactor plant the same, the capital cost to build the plant and operating costs would remain virtually the same for reactor systems, increasing electrical production by almost 98% by incorporating a coal-fired superheater and the ability of the additional turbine to accommodate the increased flow of steam. Using the same cost assumptions, this would lead to a cost of $ 0.01011 per kWh compared to the nuclear facility. Again using the previously calculated value of $ 0.00452 per kWh for coal energy in a hybrid installation, this gives an overall cost of $ 0.01463 per kWh. These savings of $ 0.00537 per kWh represent savings of more than 25% for electricity production at the power plant, while virtually doubling capacity.

Uma comparação detalhada mostra que, para a mesma geração de eletricidade, somente 84,7 % da entrada de energia térmica de um projeto tradicional são necessários para uma instalação híbrida. Além do mais, existe 25,8 % menos de calor rejeitado no condensador. Esses valores são refletidos na maior eficiência da usina.A detailed comparison shows that, for the same electricity generation, only 84.7% of the thermal energy input from a traditional project is needed for a hybrid installation. Furthermore, there is 25.8% less heat discharged in the condenser. These values are reflected in the greater efficiency of the plant.

ConclusõesConclusions

A instalação híbrida proporciona um aumento de trinta e seis porcento na eficiência, um aumento de aproximadamente 3 % para biomassa e 6 % para usinas nucleares sozinhas. O aumento na eficiência está diretamente relacionado com a maior temperatura do vapor entregue pelo superaquecedor alimentado a carvão, aumentando a eficiência de Camot (ou máxima) que o sistema pode obter. Usando carvão para adicionar superaquecimento ao vapor, uma grande parte da energia do carvão é convertida em eletricidade.The hybrid installation provides a thirty-six percent increase in efficiency, an increase of approximately 3% for biomass and 6% for nuclear plants alone. The increase in efficiency is directly related to the higher temperature of the steam delivered by the coal-fired superheater, increasing the Camot (or maximum) efficiency that the system can obtain. Using coal to add superheat to the steam, a large part of the coal's energy is converted into electricity.

Como um exemplo, a menor quantidade de energia que precisa ser adicionada pelo sistema de reator diminuiría o custo da instalação nuclear.As an example, the smaller amount of energy that needs to be added by the reactor system would lower the cost of the nuclear installation.

A diminuição do custo de combustível em 50 % (cerca de 15 % do custo total) e uso de uma regra dos seis décimos para custos de capital, operação e outros custos (os 85 % restantes) para diminuí-los em 33 %, a redução do custo total para geração elétrica com a instalação nuclear é diminuída emThe 50% decrease in fuel costs (about 15% of the total cost) and the use of a six-tenth rule for capital, operation and other costs (the remaining 85%) to decrease them by 33%, reduction of the total cost for electricity generation with the nuclear installation is decreased in

35,55 %. Embora isto não inclua o custo de capital do forno alimentado a carvão, a economia deve compensar este custo em um curto prazo. Embora esta configuração tenha emissões de carbono, elas devem ser muito menores do que uma instalação de carvão convencional. Considerando que não foi adicionado nenhum superaquecimento da porção nuclear da usina, a única energia do carvão não convertida em eletricidade seriam perdas, cortando as emissões de carbono em um terço. Quando o maior fluxo de vapor por causa do pré-aquecimento da água de alimentação for também levando em conta, seria possível atingir uma redução de carbono de cerca de 75 % em relação a uma usina de carvão independente.35.55%. Although this does not include the capital cost of the coal-fired oven, the economy is expected to offset this cost in the short term. Although this configuration has carbon emissions, they must be much smaller than a conventional coal installation. Considering that no overheating of the nuclear portion of the plant was added, the only energy from coal not converted into electricity would be losses, cutting carbon emissions by one third. When the greater steam flow due to the preheating of the feed water is also taken into account, it would be possible to achieve a carbon reduction of about 75% compared to an independent coal plant.

Existe também o potencial para adicionar pré-aquecimento suficiente à água de alimentação no economizador para fazer uso de aquecedores de água de alimentação desnecessários. Isto reduziría a quantidade de fluxo de vapor necessária para produzir a mesma quantidade de eletricidade e possivelmente podería aumentar a produção geral da usina.There is also the potential to add sufficient preheating to the feed water in the economizer to make use of unnecessary feed water heaters. This would reduce the amount of steam flow needed to produce the same amount of electricity and possibly increase the plant's overall output.

A única limitação física potencial para esta invenção é como manter a temperatura do forno que é suficiente para adicionar superaquecimento ao vapor sem danificar os tubos do superaquecedor. Isto deve ser possível controlando-se a quantidade de oxigênio introduzido no combustível durante combustão, ou pela seleção do combustível.The only potential physical limitation for this invention is how to maintain the oven temperature which is sufficient to add superheat to the steam without damaging the tubes of the superheater. This should be possible by controlling the amount of oxygen introduced into the fuel during combustion, or by selecting the fuel.

O projeto proposto resulta tanto em uma usina de maior eficiência quanto um menor custo por kWh para produzir eletricidade. Levando-se todos esses fatores em conta, os modelos apresentados aqui mostram que o benefício do desempenho de se usar uma combinação energia de biomassa ou nuclear para produzir energia de vapor e carvão para adicionar superaquecimento apresenta o potencial de ser economicamente viável, bem como significativamente mais eficiente.The proposed project results in both a more efficient plant and a lower cost per kWh to produce electricity. Taking all of these factors into account, the models presented here show that the performance benefit of using a biomass or nuclear energy combination to produce steam and coal energy to add overheating has the potential to be economically viable, as well as significantly more efficient.

Embora os exemplos apresentados tenham sido limitados a uma combinação de usinas de energia nuclear ou biomassa com usinas de 5 energia alimentadas a carvão, a invenção também inclui uma usina de energia híbrida onde um reator de água pressurizada é combinado com um reator de leito de seixo. Como com a modalidade alimentada a carvão, o vapor do reator de água pressurizada é usado como uma fonte de vapor pré-aquecido para o reator de leito de seixo para concretizar maiores eficiências.Although the examples presented were limited to a combination of nuclear or biomass power plants with coal-fired power plants, the invention also includes a hybrid power plant where a pressurized water reactor is combined with a pebble bed reactor . As with the coal-fed mode, the steam from the pressurized water reactor is used as a source of preheated steam for the pebble bed reactor to achieve greater efficiencies.

A descrição e desenhos apresentados compreendem modalidades ilustrativas da presente invenções. As modalidades apresentadas e os métodos aqui descritos podem variar com base na habilidade, experiência e preferência dos versados na técnica. A mera listagem das etapas do método em uma certa ordem não constitui nenhuma limitação a respeito da ordem das 15 etapas do método. A descrição e desenhos apresentados meramente explicam e ilustram a invenção, e a invenção não está limitada a isto, exceto até o ponto em que as reivindicações estão assim limitadas. Versados na técnica que de posse desta revelação poderão fazer modificações e variações nelas sem fugir do seu escopo.The description and drawings presented comprise illustrative modalities of the present inventions. The modalities presented and the methods described here may vary based on the skill, experience and preference of those skilled in the art. The mere listing of the steps of the method in a certain order does not constitute any limitation regarding the order of the 15 steps of the method. The description and drawings presented merely explain and illustrate the invention, and the invention is not limited to this, except to the extent that the claims are thus limited. Versed in the technique that, in possession of this revelation, they will be able to make modifications and variations in them without escaping its scope.

Claims (3)

REIVINDICAÇÕES 1. Usina de energia híbrida, caracterizada pelo fato de que compreende:1. Hybrid power plant, characterized by the fact that it comprises: (a) uma primeira usina de energia que produz vapor secundário(a) a first power plant that produces secondary steam 5 de uma primeira temperatura;5 from a first temperature; (b) uma segunda usina de energia que tem uma temperatura operacional mais alta que aquela primeira temperatura; e (c) superaquecer o vapor da primeira temperatura à temperatura mais alta na segunda usina de energia.(b) a second power plant that has a higher operating temperature than that first temperature; and (c) superheat the steam from the first temperature to the highest temperature in the second power plant. 1010 2. Usina de energia híbrida de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a primeira usina de energia é selecionada da lista que consiste em usinas de energia nuclear e de energia alimentada a biomassa2. Hybrid power plant according to claim 1, characterized by the fact that the first power plant is selected from the list consisting of nuclear power plants and biomass powered power 3. Usina de energia híbrida de acordo com a reivindicação 2,3. Hybrid power plant according to claim 2, 15 caracterizada pelo fato de que a usina de energia de combustível fóssil é selecionada da lista que consiste em usinas de energia alimentadas a carvão, óleo, petróleo, gás natural, propano e hidrogênio.15 characterized by the fact that the fossil fuel power plant is selected from the list consisting of power plants powered by coal, oil, oil, natural gas, propane and hydrogen.
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