RU2488903C1 - Combustion system of hydrogen in nuclear power plant cycle with temperature control of hydrogen-oxygen steam - Google Patents
Combustion system of hydrogen in nuclear power plant cycle with temperature control of hydrogen-oxygen steam Download PDFInfo
- Publication number
- RU2488903C1 RU2488903C1 RU2012118303/07A RU2012118303A RU2488903C1 RU 2488903 C1 RU2488903 C1 RU 2488903C1 RU 2012118303/07 A RU2012118303/07 A RU 2012118303/07A RU 2012118303 A RU2012118303 A RU 2012118303A RU 2488903 C1 RU2488903 C1 RU 2488903C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- steam
- oxygen
- combustion chamber
- temperature
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на паротурбинных установках АЭС при температуре рабочего тела ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом (450°С).The invention relates to the field of nuclear energy and is intended for use in steam turbine plants of nuclear power plants at a working fluid temperature below the self-ignition temperature of hydrogen mixed with oxygen (450 ° C).
Известна принципиальная схема двухконтурной АЭС с водородным перегревом пара (см., например, Малышенко С.П., Назарова О.В., Сарумов Ю.А. Некоторые термодинамические и технико-экономические аспекты применения водорода как энергоносителя в энергетике // Атомно-водородная энергетика и технология. М.: Энергоатомиздат. 1986. Вып.7, с.106-108). Водород и кислород вырабатываются в электролизере, сжимаются компрессорами до давления, соответствующего давлению пара на входе в паровую турбину и поступают в соответствующие хранилища. За счет высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде при стехиометрическом соотношении в камере сгорания водородного пароперегревателя, подмешиваемых в рабочее тело перед паровой турбиной, осуществляется перегрев водяного пара. Вследствие этого повышается КПД паросилового цикла и осуществляется дополнительная выработка электроэнергии.A well-known schematic diagram of a dual-circuit nuclear power plant with hydrogen vapor overheating (see, for example, Malyshenko S.P., Nazarova O.V., Sarumov Yu.A. Some thermodynamic and technical and economic aspects of the use of hydrogen as an energy carrier in energy // Atomic-Hydrogen energy and technology. M: Energoatomizdat. 1986. Vol. 7, pp. 106-108). Hydrogen and oxygen are produced in the electrolyzer, compressed by compressors to a pressure corresponding to the vapor pressure at the entrance to the steam turbine, and enter the respective storage facilities. Due to the high-temperature products of the combustion of hydrogen in oxygen at a stoichiometric ratio in the combustion chamber of a hydrogen superheater, mixed into the working fluid in front of the steam turbine, superheating of water vapor is carried out. As a result, the efficiency of the steam-power cycle is increased and additional electricity generation is carried out.
Недостаток известной схемы заключается в постоянном принудительном водяном охлаждении, что снижает эффективность использования теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде, в связи со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды. Кроме этого, недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения камеры сгорания балластировочной водой, что со временем становится причиной неработоспособного состояния водородного пароперегревателя. Также недостатком является менее эффективное охлаждение водород-кислородного пара в камере сгорания балластировочной водой, поскольку охлаждение осуществляется через разделяющую стенку вследствие использования рубашки охлаждения, что не допускает прямого контакта балластировочной воды с охлаждаемой средой. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.A disadvantage of the known scheme is constant forced water cooling, which reduces the efficiency of using the heat of high-temperature products of hydrogen combustion in oxygen, due to the significant amount of heat removed necessary to change the phase state of ballast water. In addition, the disadvantage is the formation of salt deposits in the external cooling path of the combustion chamber with ballast water, which over time becomes the cause of the inoperative state of the hydrogen superheater. Another disadvantage is the less efficient cooling of hydrogen-oxygen vapor in the combustion chamber with ballast water, since cooling is carried out through the dividing wall due to the use of a cooling jacket, which prevents direct contact of the ballast water with the medium to be cooled. This reduces the efficiency and reliability of the steam-hydrogen overheating of fresh steam in the wet-steam nuclear power plant cycle.
Известен парогенератор, содержащий запальное устройство с электросвечой и магистралями подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), смесительную головку с огневым днищем, коллекторами окислителя (кислорода) и горючего (водорода) и соответствующими магистралями, камеры сгорания и смешения, промежуточное сопло с профилированными стенками, вкладыш подачи балластировочного компонента с магистралью подвода балластировочного компонента, при этом смесительная головка содержит триплетные смесительные элементы с обеспечением соударения струй, профилированную торцевую стенку промежуточного сопла, расположенного между камерой сгорания и камерой смешения, выполненную оптимизированной по углу внедрения струй балластировочного компонента в факел продуктов сгорания и по линиям тока балластировочного компонента вдоль этой торцевой стенки для исключения отрыва потока балластировочного компонента от этой стенки, вкладыш подачи балластировочного компонента выполнен с отверстиями, обеспечивающими разнокалиберность струй балластировочного компонента (см. патент РФ на изобретение №2309325, МПК F22B 1/26, опубл. 27.10.2007 г.). Известный парогенератор предназначен для использования в газо- и паротурбинных установках, в которых генерируется пар посредством перемешивания высокотемпературных продуктов сгорания водорода и кислорода с балластировочным компонентом - водой или водяным паром. При этом применяется наружное принудительное водяное охлаждение камеры сгорания, вследствие образования факела высокой температуры (порядка 3000°С).A steam generator is known that contains an ignition device with an electric candle and highways for supplying fuel (hydrogen) and an oxidizing agent (oxygen), a mixing head with a fire bottom, collectors of an oxidizing agent (oxygen) and fuel (hydrogen) and corresponding highways, a combustion and mixing chamber, an intermediate nozzle with shaped walls, the feed liner of the ballasting component with the supply line of the ballasting component, while the mixing head contains triplet mixing elements with the provision of the vessel rhenium jets, profiled end wall of an intermediate nozzle located between the combustion chamber and the mixing chamber, optimized for the angle of introduction of the jets of the ballasting component into the flame of the combustion products and along the flow lines of the ballasting component along this end wall to prevent separation of the flow of the ballasting component from this wall, liner the supply of the ballasting component is made with holes that ensure the jets of the ballasting component are of different sizes (see RF patent for the invention No. 2309325, IPC F22B 1/26, publ. October 27, 2007). The known steam generator is intended for use in gas and steam turbine installations in which steam is generated by mixing high-temperature products of the combustion of hydrogen and oxygen with a ballasting component - water or water vapor. In this case, external forced water cooling of the combustion chamber is used, due to the formation of a high temperature flame (about 3000 ° C).
Недостаток известного парогенератора заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в камере сгорания и в камере смешения, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды по сравнению с их охлаждением в процессе осуществления перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки, например свежего пара АЭС. Кроме этого, недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения камеры сгорания балластировочной водой и магистрали подвода балластировочной воды, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогенератора. Также недостатком является менее эффективное охлаждение водород-кислородного пара балластировочной водой в камере сгорания, поскольку охлаждение осуществляется через разделяющую стенку вследствие использования рубашки охлаждения, что не допускает прямого контакта балластировочной воды с охлаждаемой средой. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева пара в цикле влажно-паровой АЭС.A disadvantage of the known steam generator is the inefficient use of the heat of high-temperature products of hydrogen combustion in oxygen due to their constant forced cooling in the combustion chamber and in the mixing chamber, which is associated with a significant amount of heat removed necessary to change the phase state of ballast water compared to their cooling during implementation overheating of the main working fluid of a steam turbine plant, for example, fresh steam from nuclear power plants. In addition, the disadvantage is the formation of salt deposits in the external cooling path of the combustion chamber with ballast water and the supply line of ballast water, which over time causes the steam generator to become inoperative. Another disadvantage is the less efficient cooling of the hydrogen-oxygen vapor by ballast water in the combustion chamber, since the cooling is carried out through the dividing wall due to the use of a cooling jacket, which prevents direct contact of the ballast water with the medium to be cooled. This reduces the efficiency and reliability of the steam-hydrogen steam overheating in the wet-steam nuclear power plant cycle.
Известен мини-парогенератор, работающий на химическом топливе кислород-водород с добавлением балластировочной воды и электрическим воспламенением, включающий узел зажигания, камеру сгорания, камеру смешения, подводящие магистрали, в том числе для подвода окислителя (кислорода), горючего (водорода), балластировочной воды, в котором узел зажигания и камера смешения объединены в единый узел воспламенительной форкамеры и смесительной головки с обеспечением подачи балластировочной воды наружного охлаждения камеры сгорания под углом к направлению потока продуктов сгорания, истекающих из промежуточного сопла, разделяющего камеры сгорания и смешения, при этом балластировочная вода подается под углом к потоку продуктов сгорания при заданном масштабе смешения, выход струи продуктов сгорания в камеру смешения осуществлен по принципу внезапного расширения для обеспечения требуемого уровня равномерности поля температур при подаче всего расхода балластировочной воды в одном поясе, что, в свою очередь, реализует охлаждение камеры сгорания полным расходом балластировочной воды (см. патент РФ на изобретение №2300049, МПК F22B 1/26, опубл. 27.05.2007 г.). Мини-парогенератор предназначен для использования в газо- и паротурбинных установках, в которых генерируется пар посредством перемешивания высокотемпературных продуктов сгорания водорода и кислорода с балластировочным компонентом - водой или водяным паром. При этом применяется наружное принудительное водяное охлаждение камеры сгорания, вследствие образования факела высокой температуры (порядка 3000°С).Known mini-steam generator that runs on chemical fuel oxygen-hydrogen with the addition of ballast water and electric ignition, including an ignition unit, a combustion chamber, a mixing chamber, supply lines, including for the supply of oxidizing agent (oxygen), fuel (hydrogen), ballast water , in which the ignition unit and the mixing chamber are combined into a single unit of the ignition prechamber and the mixing head with the supply of ballast water for external cooling of the combustion chamber at an angle to the flow of combustion products flowing from the intermediate nozzle separating the combustion and mixing chambers, while the ballast water is supplied at an angle to the flow of combustion products at a given mixing scale, the output of the stream of combustion products into the mixing chamber is carried out according to the principle of sudden expansion to ensure the required level of field uniformity temperatures when supplying the entire flow of ballast water in one belt, which, in turn, implements the cooling of the combustion chamber with the full flow of ballast water s (see. RF patent for the invention No. 2300049, IPC F22B 1/26, publ. May 27, 2007). The mini-steam generator is intended for use in gas- and steam-turbine installations in which steam is generated by mixing high-temperature products of the combustion of hydrogen and oxygen with a ballasting component - water or water vapor. In this case, external forced water cooling of the combustion chamber is used, due to the formation of a high temperature flame (about 3000 ° C).
Недостаток мини-парогенератора заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в камере сгорания и в камере смешения, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды по сравнению с их охлаждением в процессе осуществления перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки, например свежего пара АЭС. Кроме этого, недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения камеры сгорания балластировочной водой, что со временем становится причиной неработоспособного состояния мини-парогенератора. Также недостатком является менее эффективное охлаждение водород-кислородного пара в камере сгорания балластировочной водой, поскольку охлаждение осуществляется через разделяющую стенку вследствие использования рубашки охлаждения, что не допускает прямого контакта балластировочной воды с охлаждаемой средой. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.The disadvantage of a mini-steam generator is the inefficient use of the heat of high-temperature products of hydrogen combustion in oxygen due to their constant forced cooling in the combustion chamber and in the mixing chamber, which is associated with a significant amount of heat removed necessary to change the phase state of ballast water compared to their cooling in the process overheating of the main working fluid of a steam turbine plant, for example, fresh steam from nuclear power plants. In addition, the disadvantage is the formation of salt deposits in the external cooling path of the combustion chamber with ballast water, which over time becomes the cause of the inoperative state of the mini-steam generator. Another disadvantage is the less efficient cooling of hydrogen-oxygen vapor in the combustion chamber with ballast water, since cooling is carried out through the dividing wall due to the use of a cooling jacket, which prevents direct contact of the ballast water with the medium to be cooled. This reduces the efficiency and reliability of the steam-hydrogen overheating of fresh steam in the wet-steam nuclear power plant cycle.
Известен водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания (см. патент РФ на изобретение №2358191, МПК F22B 1/26, опубл. 10.06.2009 г.). Изобретение предназначено для выработки пара и может быть использовано в парогенераторах. Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания работает на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеет электрическое воспламенение, содержит камеру сгорания с цилиндрической частью и промежуточным соплом, посредством которого она соединена с камерой смешения, камеру смешения с выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды, при этом камера сгорания выполнена с охлаждающим трактом, разделенным на две части, - трактом охлаждения цилиндрической части камеры сгорания водородом и трактом охлаждения промежуточного сопла камеры сгорания балластировочной водой. Изобретение обеспечивает возможность повышения давления и температуры в парогенераторе и улучшает эффективность его работы.Known hydrogen high-temperature steam generator with combined cooling of the combustion chamber (see RF patent for the invention No. 2358191, IPC F22B 1/26, publ. 06/10/2009). The invention is intended to generate steam and can be used in steam generators. The hydrogen high-temperature steam generator with combined cooling of the combustion chamber runs on chemical fuel with the addition of ballast water, has electric ignition, contains a combustion chamber with a cylindrical part and an intermediate nozzle, through which it is connected to the mixing chamber, a mixing chamber with an output nozzle, and also supply lines for supply of chemical fuel and ballast water, while the combustion chamber is made with a cooling path, divided into two parts, - path cooling the cylindrical part of the combustion chamber with hydrogen and the cooling path of the intermediate nozzle of the combustion chamber with ballast water. The invention provides the possibility of increasing pressure and temperature in the steam generator and improves its efficiency.
Недостаток известного водородного высокотемпературного парогенератоа с комбинированным охлаждением камеры сгорания заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в цилиндрической части камеры сгорания, что связано с отведением значительного количества теплоты водороду, а также постоянного принудительного охлаждения в промежуточном сопле и в камере смешения, что связано с отведением значительного количества теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды по сравнению с их охлаждением в процессе осуществления перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки, например свежего пара АЭС. Кроме этого, недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения промежуточного сопла балластировочной водой и магистрали подвода балластировочной воды, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогенератора. Также недостатком является менее эффективное охлаждение водород-кислородного пара балластировочной водой в полости промежуточного сопла, поскольку охлаждение осуществляется через разделяющую стенку вследствие использования рубашки охлаждения, что не допускает прямого контакта балластировочной воды с охлаждаемой средой. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.A disadvantage of the known hydrogen high-temperature steam generator with combined cooling of the combustion chamber is the inefficient use of the heat of the high-temperature products of hydrogen combustion in oxygen due to their constant forced cooling in the cylindrical part of the combustion chamber, which is associated with the removal of a significant amount of heat to hydrogen, as well as constant forced cooling in the intermediate nozzle and in the mixing chamber, which is associated with the removal of a significant amount of heat It is necessary to change the phase state of ballast water as compared with their cooling during overheating of the main working fluid of a steam turbine plant, for example, fresh steam from nuclear power plants. In addition, the disadvantage is the formation of salt deposits in the external cooling path of the intermediate nozzle with ballast water and the ballast water supply line, which over time causes the steam generator to become inoperative. Another disadvantage is the less efficient cooling of hydrogen-oxygen vapor by ballast water in the cavity of the intermediate nozzle, since cooling is carried out through the dividing wall due to the use of a cooling jacket, which prevents direct contact of ballast water with the medium to be cooled. This reduces the efficiency and reliability of the steam-hydrogen overheating of fresh steam in the wet-steam nuclear power plant cycle.
Известен водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения (см. патент РФ на изобретение №2358190, МПК F22B 1/26, опубл. 10.06.2009). Изобретение предназначено для выработки пара и может быть использовано в парогенераторах. Парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения работает на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеет электрическое воспламенение, содержит камеру сгорания с системой охлаждения и промежуточным соплом, камеру смешения с магистралью для подачи балластировочной воды и выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды. В камере смешения установлен цилиндрический пористый вкладыш, обеспечивающий комбинированное испарительное охлаждение камеры смешения, смачивание которого обеспечивают орошением балластировочной водой, поступающей из системы охлаждения камеры сгорания и магистрали для подачи балластировочной воды в камеру смешения. Изобретение обеспечивает эффективное охлаждение камеры смешения, увеличивает температуру и давление генерируемого пара.Known hydrogen high-temperature steam generator with combined evaporative cooling of the mixing chamber (see RF patent for the invention No. 2358190, IPC F22B 1/26, publ. 10.06.2009). The invention is intended to generate steam and can be used in steam generators. The steam generator with combined evaporative cooling of the mixing chamber runs on chemical fuel with the addition of ballast water, has electric ignition, contains a combustion chamber with a cooling system and an intermediate nozzle, a mixing chamber with a line for supplying ballast water and an outlet nozzle, as well as supply lines for supplying chemical fuel and ballast water. A cylindrical porous liner is installed in the mixing chamber, which provides combined evaporative cooling of the mixing chamber, the wetting of which is provided by irrigation with ballast water coming from the cooling system of the combustion chamber and main for supplying ballast water to the mixing chamber. The invention provides effective cooling of the mixing chamber, increases the temperature and pressure of the generated steam.
Недостаток известного водородного высокотемпературного парогенератора заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в цилиндрической части камеры сгорания, что связано с отведением значительного количества теплоты водороду, а также постоянного принудительного охлаждения в промежуточном сопле и в камере смешения, что связано с отведением значительного количества теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды по сравнению с их охлаждением в процессе осуществления перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки, например свежего пара АЭС. Также недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения промежуточного сопла и камеры смешения балластировочной водой и в соответствующих магистралях подвода балластировочной воды, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогенератора. Кроме этого, недостатком является менее эффективное охлаждение водород-кислородного пара балластировочной водой, поскольку охлаждение осуществляется через разделяющую стенку промежуточного сопла вследствие использования рубашки охлаждения, что не допускает прямого контакта балластировочной воды с охлаждаемой средой. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.A disadvantage of the known hydrogen high-temperature steam generator is the inefficient use of the heat of high-temperature products of hydrogen combustion in oxygen due to their constant forced cooling in the cylindrical part of the combustion chamber, which is associated with the removal of a significant amount of heat to hydrogen, as well as constant forced cooling in the intermediate nozzle and in the mixing chamber, which associated with the removal of a significant amount of heat required to change the phase state Nia ballasting water compared to their cooling in the course of superheat main steam turbine system the working fluid, such as fresh nuclear power plant steam. Another disadvantage is the formation of salt deposits in the external cooling path of the intermediate nozzle and the ballast water mixing chamber and in the corresponding ballast water supply lines, which over time causes the steam generator to become inoperative. In addition, the disadvantage is less efficient cooling of hydrogen-oxygen vapor with ballast water, since cooling is carried out through the separating wall of the intermediate nozzle due to the use of a cooling jacket, which prevents direct contact of ballast water with the medium to be cooled. This reduces the efficiency and reliability of the steam-hydrogen overheating of fresh steam in the wet-steam nuclear power plant cycle.
Известен парогенератор (варианты) (см. патент РФ на изобретение №2431079, МПК F22B 1/26, опубл. 10.10.2011). Изобретение обеспечивает интенсификацию испарения балластной воды за счет лучшего перемешивания с продуктами сгорания топлива в широком диапазоне температур и давлений генерируемого пара, а также повышение надежности охлаждения камеры сгорания парогенератора. Достижение поставленной задачи решается двумя вариантами конструкций парогенератора. В первом варианте изобретения предлагается конструкция парогенератора, который состоит из расположенных соосно и последовательно смесительной головки с узлом зажигания, охлаждаемой камеры сгорания, камеры смешения с соплом, внутренние полости которых образуют единый рабочий канал, а также включает подводящие магистрали окислителя, горючего и балластной воды. Смесительная головка снабжена расположенной в канале подвода окислителя по оси головки центробежной форсункой подвода части балластной воды. Между камерой сгорания и камерой смешения расположен узел ввода оставшейся части балластной воды, представляющий собой цилиндрическую вставку, снабженную центробежной форсункой, расположенной по оси камеры сгорания и направленной внутрь рабочего канала камеры сгорания. Парогенератор по второму варианту отличается от первого варианта конструкцией узла подачи балластной воды, который представляет собой вставку, имеющую внутренний сужающийся участок, диаметр которого на входе равен диаметру рабочего канала камеры сгорания. На поверхности сужающего участка вставки равномерно по окружности расположены под углом к оси камеры сгорания три или более центробежные форсунки, направленные внутрь рабочего канала камеры сгорания.Known steam generator (options) (see RF patent for the invention No. 2431079, IPC F22B 1/26, publ. 10.10.2011). EFFECT: invention ensures intensification of ballast water evaporation due to better mixing with fuel combustion products in a wide range of temperatures and pressures of generated steam, as well as improving the reliability of cooling the combustion chamber of a steam generator. The achievement of the task is solved by two options for the design of the steam generator. In the first embodiment of the invention, a steam generator design is proposed, which consists of a coaxially and sequentially mixing head with an ignition unit, a cooled combustion chamber, a mixing chamber with a nozzle, the internal cavities of which form a single working channel, and also includes the supply lines of the oxidizer, fuel and ballast water. The mixing head is equipped with a centrifugal nozzle for supplying part of the ballast water located in the channel for supplying the oxidizer along the axis of the head. Between the combustion chamber and the mixing chamber is located the input unit of the remaining part of the ballast water, which is a cylindrical insert equipped with a centrifugal nozzle located along the axis of the combustion chamber and directed into the working channel of the combustion chamber. The steam generator according to the second embodiment differs from the first embodiment in the design of the ballast water supply unit, which is an insert having an inner tapering section, the diameter of which at the inlet is equal to the diameter of the working channel of the combustion chamber. On the surface of the narrowing section of the insert, three or more centrifugal nozzles are directed at the inside of the working channel of the combustion chamber uniformly around the circumference at an angle to the axis of the combustion chamber.
Недостаток известного парогенератора (варианты) заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в камере сгорания и при смешении, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды по сравнению с их охлаждением в процессе осуществления перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки, например свежего пара АЭС. Также недостатком является образование солевых отложений в тракте внешнего охлаждения камеры сгорания балластировочной водой и в магистралях подвода балластировочной воды, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогенератора. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.A disadvantage of the known steam generator (options) is the inefficient use of the heat of high-temperature products of hydrogen combustion in oxygen due to their constant forced cooling in the combustion chamber and during mixing, which is associated with a significant amount of heat removed necessary to change the phase state of ballast water compared to their cooling in the process of overheating the main working fluid of a steam turbine plant, for example, fresh steam from nuclear power plants. Another disadvantage is the formation of salt deposits in the external cooling path of the combustion chamber with ballast water and in the supply lines of ballast water, which over time causes the steam generator to become inoperative. This reduces the efficiency and reliability of the steam-hydrogen overheating of fresh steam in the wet-steam nuclear power plant cycle.
Известен способ образования пара в парогазогенераторе и устройство для его осуществления (см. патент РФ на изобретение №2371594, МПК F02C 6/00, опубл. 27.10.2009). Изобретение заключается в том, что сжигают компоненты топлива, испаряют воду и разогревают пар за счет полученной энергии, образуют в камере сгорания водяную вихреобразную оболочку с разрежением внутри ее центральной области, внутри этой области сжигают компоненты топлива, а интенсивное испарение воды и разогрев пара осуществляют после свертывания вихреобразной водяной оболочки. Предлагаемый способ реализован в парогазогенераторе, содержащем камеру сгорания, запальное устройство, испарительную камеру, устройство подвода воды, в котором согласно изобретению подвод воды расположен в верхней части камеры сгорания (возле головки) и выполнен в виде втулки с тангенциальными каналами для закручивания водяного потока и образования вихреобразной оболочки, а в испарительной камере установлена диафрагма, выполненная в виде сопла, расположенного в месте свертывания вихреобразной водяной оболочки, причем диафрагма расположена широким срезом сопла внутрь камеры испарения. Предложенное изобретение позволяет повысить эффективность, снизить тепловую нагрузку на элементы конструкции устройства за счет более эффективного охлаждения и упростить конструкцию.A known method of generating steam in a gas generator and a device for its implementation (see RF patent for the invention No. 2371594, IPC F02C 6/00, publ. October 27, 2009). The invention lies in the fact that they burn fuel components, evaporate water and heat steam due to the energy received, form a vortex-like water shell in the combustion chamber with a vacuum inside its central region, burn fuel components inside this region, and intensively evaporate water and heat the steam after coagulation of a vortex-like water shell. The proposed method is implemented in a steam and gas generator containing a combustion chamber, an ignition device, an evaporation chamber, a water supply device, in which according to the invention a water supply is located in the upper part of the combustion chamber (near the head) and is made in the form of a sleeve with tangential channels for swirling the water flow and forming a vortex-like shell, and a diaphragm is installed in the evaporation chamber, made in the form of a nozzle located at the point of coagulation of the vortex-like water shell, the diaphragm being lozhena wide slice of the nozzle inside the evaporation chamber. The proposed invention allows to increase efficiency, reduce the heat load on the structural elements of the device due to more efficient cooling and simplify the design.
Недостаток известного парогазогенератора заключается в неэффективном использовании теплоты высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде вследствие их постоянного принудительного охлаждения в камере сгорания, что связано со значительным количеством отводимой теплоты, необходимой для изменения фазового состояния балластировочной воды по сравнению с их охлаждением в процессе осуществления перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки, например, свежего пара АЭС. Кроме этого, недостатком является образование солевых отложений в магистралях подвода балластировочной воды и во втулках с тангенциальными каналами, что со временем становится причиной неработоспособного состояния парогазогенератора. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.A disadvantage of the known steam and gas generator is the inefficient use of the heat of high-temperature products of hydrogen combustion in oxygen due to their constant forced cooling in the combustion chamber, which is associated with a significant amount of heat removed necessary to change the phase state of ballast water compared to their cooling during the overheating of the main working fluid a steam turbine plant, for example, fresh steam from a nuclear power plant. In addition, the disadvantage is the formation of salt deposits in the supply lines of ballast water and in bushings with tangential channels, which over time becomes the cause of an inoperative state of a steam and gas generator. This reduces the efficiency and reliability of the steam-hydrogen overheating of fresh steam in the wet-steam nuclear power plant cycle.
Известно запальное устройство, содержащее корпус, рубашку охлаждения, кольцевой коллектор окислителя, расположенный на входе, магистраль горючего, центральный электрод свечи зажигания, при этом рубашка охлаждения выполнена в виде каналов, образованных продольными ребрами и наклоненных на выходе к продольной оси под углом, равным 37-52°, центральный электрод свечи зажигания расположен в магистрали горючего, на внутренней поверхности коллектора окислителя выполнены радиальные выступы, в которых установлены струйные форсунки окислителя, направленные к электроду свечи зажигания (см. патент РФ на изобретение №2084767, МПК F23Q 3/00, опубл. 20.07.1997 г.). Запальное устройство предназначено для использования в силовых установках, работающих на энергии сжигаемых несамовоспламеняющихся высококалорийных топлив, преимущественно водород-кислородного, в частности, для запуска парогенераторов, газотурбинных установок, жидкостных реактивных двигателей, мартеновских печей и т.д. В известном запальном устройстве реализован принцип двухступенчатого сжигания водорода с кислородом, когда первоначально происходит ионизирование водорода в среде кислорода с образованием факела, который при избытке кислорода смешивается со вновь подаваемой долей водорода, на выходе из форкамеры в нестехиометрическом соотношении. При этом вторичная подача водорода осуществляется через охлаждающие каналы форкамеры запального устройства.A firing device is known comprising a housing, a cooling jacket, an oxidizer annular collector located at the inlet, a fuel line, a central electrode of the spark plug, and the cooling jacket is made in the form of channels formed by longitudinal ribs and inclined at the exit to the longitudinal axis at an angle equal to 37 -52 °, the central electrode of the spark plug is located in the fuel line, on the inner surface of the oxidizer collector there are radial protrusions in which the jet nozzles of the oxidizer are installed, The direction toward the electrode of the spark plug (see. Russian patent №2084767, IPC F23Q 3/00, publ. 20.07.1997 g). The ignition device is intended for use in power plants operating on the energy of combusted non-combustible high-calorie fuels, mainly hydrogen-oxygen, in particular, for starting steam generators, gas turbines, liquid propellant engines, open-hearth furnaces, etc. In the known ignition device, the principle of two-stage combustion of hydrogen with oxygen is implemented, when hydrogen is initially ionized in oxygen with the formation of a torch, which, with an excess of oxygen, mixes with the newly supplied fraction of hydrogen at the outlet of the prechamber in a non-stoichiometric ratio. In this case, the secondary supply of hydrogen is carried out through the cooling channels of the prechamber of the ignition device.
Недостатком известного запального устройства является то, что оно обеспечивает неполное сгорание водорода в кислороде, вследствие чего не приводит к перегреву свежего пара АЭС до необходимой температуры при входе в турбину и не обеспечивает понижение (регулирование) температуры водородно-кислородного пара. Это снижает эффективность и надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.A disadvantage of the known ignition device is that it provides incomplete combustion of hydrogen in oxygen, as a result of which it does not overheat the fresh steam of the nuclear power plant to the required temperature at the turbine inlet and does not lower (regulate) the temperature of the hydrogen-oxygen vapor. This reduces the efficiency and reliability of the steam-hydrogen overheating of fresh steam in the wet-steam nuclear power plant cycle.
Известно электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной, включающее паровой котел, высокотемпературный Н2/O2 - пароперегреватель, теплоутилизационный котел, паровую турбину с электрогенератором и конденсатором, установку для получения водорода из природного газа методом конверсии, установку для производства кислорода методом разделения воздуха, а суммарные примеси неконденсирующихся газов при температуре от 20 до 100°С в водороде и кислороде должны быть менее 0,5% по объему, причем входы в высокотемпературный пароперегреватель соединены с выходом парового котла и выходами из установок для производства водорода и кислорода с расходами по водороду и кислороду в пропорциях близких (около ±1%) к стехиометрическим для обеспечения их полного сгорания в среде водяного пара без промежуточной теплообменной поверхности, а выход высокотемпературного пароперегревателя соединен с входом в паровую турбину, причем выход установки для производства водорода по уходящим газам соединен с газовым трактом теплоутилизационного котла, и, кроме того, выход из теплоутилизационного котла по пару соединен с промежуточным вводом в паровую турбину и (или) системой охлаждения проточной части паровой турбины (см. патент РФ на полезную модель №64699, МПК F01K 13/00, опубл. 27.05.2007 г.). Устройство предназначено для производства электроэнергии с использованием высокотемпературной паровой турбины с комбинированным, в том числе водородным, топливом.A power generating device with a high-temperature steam turbine is known, including a steam boiler, high-temperature Н2 / O2 - a superheater, a heat recovery boiler, a steam turbine with an electric generator and a condenser, a plant for producing hydrogen from natural gas by the conversion method, a plant for oxygen production by air separation, and total impurities non-condensable gases at a temperature of from 20 to 100 ° C in hydrogen and oxygen should be less than 0.5% by volume, and the entrances to high-temperature steam the superheater is connected to the exit of the steam boiler and exits from the plants for the production of hydrogen and oxygen with hydrogen and oxygen costs in proportions close (about ± 1%) to stoichiometric in order to ensure their complete combustion in the medium of water vapor without an intermediate heat exchange surface, and the output of the high-temperature superheater connected to the entrance to the steam turbine, and the output of the plant for the production of hydrogen by flue gases is connected to the gas path of the heat recovery boiler, and, in addition, the exit from the heat lizatsionnogo boiler for steam is connected to an intermediate input to a steam turbine, and (or) cooling the flow part of the steam turbine (see. RF patent for utility model No. 64699, IPC F01K 13/00, publ. May 27, 2007). The device is designed to generate electricity using a high-temperature steam turbine with combined, including hydrogen, fuel.
Недостатком данной полезной модели является невозможность ее использования в случае, когда получаемый водяной пар имеет температуру меньше, чем температура самовоспламенения водорода в смеси с кислородом (450°С), а также когда расход пара снижен или полностью отсутствует, поскольку не обеспечивается понижение (регулирование) температуры водородно-кислородного пара.The disadvantage of this utility model is the impossibility of its use in the case when the resulting water vapor has a temperature lower than the temperature of self-ignition of hydrogen in a mixture with oxygen (450 ° C), and also when the steam flow rate is reduced or completely absent, since it is not ensured reduction (regulation) temperature of hydrogen-oxygen vapor.
Известен способ повышения КПД и мощности двухконтурной атомной станции (см. патент РФ на изобретение №2335641, МПК F01K 3/18, G21D 5/16, опубл. 10.10.2008). Устройство для реализации предлагаемого способа содержит последовательно соединенные реактор, парогенератор, циркуляционный насос, подсоединенную через водородную форсунку к выходу парогенератора водородную камеру сгорания, турбину, состоящую из высокотемпературного цилиндра высокого давления, цилиндра среднего давления и цилиндра низкого давления, валом соединенных с генератором, конденсатор, установленный на выходе цилиндра низкого давления, подключенный через питательный насос к входу парогенератора. Выход парогенератора по пару одновременно соединен с входом в водородную форсунку водородной камеры сгорания через вентиль и при помощи паропровода с внутренним пространством водородной камеры сгорания, выход водородной камеры сгорания по пару соединен с входом в цилиндр высокого давления.A known method of increasing the efficiency and power of a dual-circuit nuclear plant (see RF patent for the invention No. 2335641, IPC F01K 3/18, G21D 5/16, publ. 10.10.2008). A device for implementing the proposed method comprises a series-connected reactor, a steam generator, a circulation pump connected through a hydrogen nozzle to the outlet of the steam generator, a hydrogen combustion chamber, a turbine consisting of a high-temperature high pressure cylinder, a medium pressure cylinder and a low pressure cylinder connected by a shaft to a generator, a condenser, installed at the outlet of the low pressure cylinder, connected through the feed pump to the input of the steam generator. The steam generator output is simultaneously connected to the steam inlet to the hydrogen nozzle of the hydrogen combustion chamber through a valve and by means of a steam line to the interior of the hydrogen combustion chamber, the output of the hydrogen combustion chamber is connected to the entrance to the high pressure cylinder.
Недостатком данного изобретения является невозможность осуществления сжигания водорода в паровой среде, температура которой ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом, а так же когда расход пара снижен или полностью отсутствует, поскольку не обеспечивается понижение (регулирование) температуры водородно-кислородного пара. Это снижает надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.The disadvantage of this invention is the impossibility of carrying out the combustion of hydrogen in a vapor medium, the temperature of which is lower than the temperature of self-ignition of hydrogen in a mixture with oxygen, and also when the steam flow rate is reduced or completely absent, since the temperature of the hydrogen-oxygen vapor is not reduced (regulated). This reduces the reliability of the steam-hydrogen overheating of fresh steam in the wet-steam nuclear power plant cycle.
Известен вихревой водород-кислородный пароперегреватель (см. патент РФ на изобретение №2361146, МПК F22G 1/16, опубл. 10.07.2009). Вихревой водород-кислородный пароперегреватель, содержащий запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеры сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, дополнительно содержит диафрагмированное выходное сопло, а также патрубок и кольцевой канал подачи вторичного пара, конический стабилизатор пламени, пламенную трубу, аксиальное закручивающее устройство, конический стабилизатор пламени, зону смешения вторичного пара с окислителем. Водяной пар из котла или низкотемпературного перегревателя с температурой 100-250°С перегревается сжиганием водорода в кислороде и смешивается с основным паром. Изобретение обеспечивает повышение качества равномерности температурного поля на выходе из пароперегревателя, обеспечение возможности регулирования температуры горения, обеспечение условий устойчивого горения.Known vortex hydrogen-oxygen superheater (see RF patent for the invention No. 2361146, IPC F22G 1/16, publ. 10.07.2009). A vortex hydrogen-oxygen superheater containing an ignition device, lines for supplying fuel (hydrogen) and oxidizer (oxygen), a combustion and mixing chamber, oxidizer and fuel nozzles, further comprises a diaphragm outlet nozzle, as well as a nozzle and an annular channel for supplying secondary steam, a conical stabilizer flame, flame tube, axial swirling device, conical flame stabilizer, mixing zone of secondary steam with an oxidizing agent. Water vapor from a boiler or a low-temperature superheater with a temperature of 100-250 ° C is overheated by burning hydrogen in oxygen and mixes with the main steam. The invention improves the quality of the uniformity of the temperature field at the outlet of the superheater, provides the ability to control the temperature of combustion, ensuring stable combustion.
Недостатком данного изобретения является невозможность работы данной системы в условиях сниженного расхода водяного пара или полном его отсутствии из котла или низкотемпературного перегревателя, поскольку не обеспечивается понижение (регулирование) температуры водородно-кислородного пара. Это снижает надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.The disadvantage of this invention is the inability to operate this system in conditions of reduced consumption of water vapor or its complete absence from the boiler or low-temperature superheater, since it is not possible to lower (control) the temperature of hydrogen-oxygen vapor. This reduces the reliability of the steam-hydrogen overheating of fresh steam in the wet-steam nuclear power plant cycle.
Наиболее близким аналогом является система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции (см. патент РФ №2427048, МПК G21D 5/16, F22B 1/26, F01K 3/18, опубл. 10.11.2010 г.). Система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле АЭС, включающая водород-кислородный парогенератор, снабженный запальным устройством, содержащая магистрали подвода окислителя (кислорода) и горючего (водорода), водород-кислородную камеру сгорания первоначального нестехиометрического окисления, дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления, полость смешения высокотемпературного пара со свежим паром на участке перед цилиндром высокого давления паровой турбины, при этом дожигающая водород-кислородная камера сгорания стехиометрического окисления выполнена в виде диффузора, размещенного в полости смешения высокотемпературного пара со свежим паром, в связи, с чем камера сгорания охлаждается за счет обтекания свежим паром.The closest analogue is a hydrogen combustion system for steam-hydrogen superheating of fresh steam in the cycle of a nuclear power plant (see RF patent No. 2427048, IPC G21D 5/16, F22B 1/26, F01K 3/18, publ. 10.11.2010, ) A hydrogen combustion system for steam-hydrogen overheating of fresh steam in an NPP cycle, including a hydrogen-oxygen steam generator equipped with an ignition device, containing oxidizer (oxygen) and fuel (hydrogen) supply lines, a hydrogen-oxygen initial non-stoichiometric oxidation combustion chamber, which burns hydrogen-oxygen a stoichiometric oxidation combustion chamber, a cavity for mixing high-temperature steam with fresh steam in the area in front of the high-pressure cylinder of the steam turbine, while ayuschaya hydrogen-oxygen combustion chamber the stoichiometric oxidation is designed as a diffuser disposed in the cavity of mixing high-temperature steam from the fresh steam, in connection with which the combustion chamber is cooled by the flow of fresh steam.
Система сжигания предназначена для осуществления паро-водородного перегрева свежего пара в цикле АЭС с температурой меньшей, чем температура самовоспламенения водорода в смеси с кислородом.The combustion system is designed to carry out steam-hydrogen overheating of fresh steam in a nuclear power plant cycle with a temperature lower than the auto-ignition temperature of hydrogen mixed with oxygen.
Недостатком данного изобретения является невозможность работы системы в условиях сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии, поскольку не обеспечивается понижение (регулирование) температуры водород-кислородного пара. Это снижает надежность паро-водородного перегрева свежего пара в цикле влажно-паровой АЭС.The disadvantage of this invention is the impossibility of the system in conditions of reduced consumption of fresh steam or its complete absence, since it is not possible to lower (control) the temperature of hydrogen-oxygen vapor. This reduces the reliability of the steam-hydrogen overheating of fresh steam in the wet-steam nuclear power plant cycle.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение эффективности и повышение надежности работы системы сжигания водорода в цикле влажно-паровой АЭС.The objective of the present invention is to provide efficiency and increase the reliability of the system for burning hydrogen in a wet-steam nuclear power cycle.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является возможность осуществления паро-водородного перегрева свежего пара при его температуре, которая ниже, чем температура самовоспламенения водорода в смеси с кислородом с обеспечением регулирования температуры водород-кислородного пара в условиях сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии, посредством прямого контакта охлаждающей воды с водород-кислородным паром в дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления.The technical result achieved by using the present invention is the possibility of carrying out steam-hydrogen overheating of fresh steam at its temperature, which is lower than the temperature of self-ignition of hydrogen in a mixture with oxygen with the provision of controlling the temperature of hydrogen-oxygen steam in conditions of reduced or fresh steam consumption the absence, through direct contact of cooling water with hydrogen-oxygen vapor in the afterburning hydrogen-oxygen combustion chamber of the stoichiometric acidification.
Указанный технический результат достигается тем, что в цикле атомной электрической станции в системе сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара, снабженной запальным устройством, содержащей магистрали подвода окислителя (кислорода) и горючего (водорода), водород-кислородную камеру сгорания первоначального нестехиометрического окисления, дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления, полость смешения высокотемпературного пара со свежим паром на участке перед цилиндром высокого давления паровой турбины, при этом дожигающая водород-кислородная камера сгорания стехиометрического окисления выполнена в виде диффузора, размещенного в полости смешения высокотемпературного пара со свежим паром, согласно изобретению, к дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления подсоединены магистрали подачи балластировочной воды со встроенными форсунками, при этом магистрали подачи балластировочной воды пролегают вдоль камеры сгорания стехиометрического окисления с противоположных сторон, а встроенные форсунки сообщаются с внутренней областью дожигающей водород-кислородной камеры сгорания стехиометрического окисления.The specified technical result is achieved by the fact that in the cycle of a nuclear power plant in a hydrogen combustion system for steam-hydrogen overheating of fresh steam, equipped with a firing device containing lines for supplying oxidizer (oxygen) and fuel (hydrogen), a hydrogen-oxygen combustion chamber of initial non-stoichiometric oxidation, a stoichiometric oxidation combustion hydrogen-oxygen combustion chamber, a cavity for mixing high-temperature steam with fresh steam in the area in front of the high-pressure cylinder a steam turbine, wherein the stoichiometric oxidation combustion hydrogen-oxygen combustion chamber is made in the form of a diffuser located in the mixing chamber of the high-temperature steam with fresh steam, according to the invention, ballast water supply lines with integrated nozzles are connected to the stoichiometric oxidation hydrogen-oxygen combustion chamber while the supply lines of ballast water run along the combustion chamber of stoichiometric oxidation from opposite sides, and ennye nozzle in communication with the inner region of the afterburning hydrogen-oxygen combustion chamber the stoichiometric oxidation.
Использование системы сжигания водорода с регулированием температуры водород-кислородного пара обеспечивает эффективность паро-водородного перегрева свежего пара и повышает надежность работы системы сжигания водорода. Это достигается тем, что в режиме нормального расхода свежего пара на турбину в водород-кислородной камере сгорания первоначального нестехиометрического окисления, с помощью запального устройства происходит образование смеси водяного пара с недореагировавшим кислородом при температуре, обеспечивающей самовоспламенение водорода в дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления. Относительно невысокий уровень температуры горения в водород-кислородной камере сгорания первоначального нестехиометрического окисления (порядка 500-600°С) не требует использования охлаждающего балластировочного компонента. Последующее окисление оставшейся доли водорода в стехиометрическом соотношении с кислородом в дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления, расположенной на участке перед цилиндром высокого давления (ЦВД) паровой турбины, осуществляется путем самовоспламенения без использования запальных устройств и охлаждающего балластировочного компонента, так как охлаждающей средой в этом случае служит свежий пар, поступающий в турбоустановку. За счет этого полностью исключена проблема солевых отложений. Полученный высокотемпературный водяной пар в дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления смешивается со свежим паром и приводит к повышению его температуры, что обеспечивает выработку энергоблоком дополнительной (пиковой) сверхноминальной мощности за счет увеличения теплоперепада и расхода пара в паровой турбине. Таким образом, достигается возможность осуществления перегрева свежего пара при его температуре, которая заметно ниже (по меньшей мере, на 175°С) температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом.The use of a hydrogen combustion system with temperature control of hydrogen-oxygen vapor ensures the efficiency of the steam-hydrogen superheating of fresh steam and increases the reliability of the hydrogen combustion system. This is achieved by the fact that in the mode of normal flow of fresh steam to the turbine in the hydrogen-oxygen combustion chamber of the initial non-stoichiometric oxidation, using the ignition device, a mixture of water vapor with unreacted oxygen is formed at a temperature that provides self-ignition of hydrogen in the stoichiometric oxidation combustion hydrogen-oxygen combustion chamber . The relatively low level of combustion temperature in the hydrogen-oxygen combustion chamber of the initial non-stoichiometric oxidation (of the order of 500-600 ° C) does not require the use of a cooling ballasting component. Subsequent oxidation of the remaining fraction of hydrogen in a stoichiometric ratio with oxygen in the stoichiometric oxidation combustion chamber, located in the area in front of the high-pressure cylinder (CVP) of the steam turbine, is carried out by self-ignition without the use of ignition devices and a cooling ballast component, since the cooling medium in In this case, fresh steam is supplied to the turbine unit. Due to this, the problem of salt deposits is completely eliminated. The obtained high-temperature water vapor in a stoichiometric oxidation combustion chamber burning with hydrogen-oxygen is mixed with fresh steam and leads to an increase in its temperature, which ensures that the power unit generates additional (peak) super-nominal power due to an increase in heat transfer and steam consumption in a steam turbine. Thus, it is possible to overheat fresh steam at its temperature, which is noticeably lower (at least 175 ° C) than the temperature of self-ignition of hydrogen in a mixture with oxygen.
В режиме сниженного расхода свежего пара на турбину или полном его отсутствии (например, в аварийном режиме) использование системы водород-кислородного сжигания обеспечивает регулирование температуры водород-кислородного пара. Это достигается тем, что к дожигающей водород-кислородной камере сгорания стехиометрического окисления подсоединены магистрали подачи балластировочной воды со встроенными в них форсунками, через которые во внутреннюю область камеры сгорания стехиометрического окисления впрыскивается балластировочная вода, посредством которой обеспечивается регулирование температуры водород-кислородного пара.In the mode of reduced consumption of fresh steam to the turbine or its complete absence (for example, in emergency mode), the use of a hydrogen-oxygen combustion system provides control of the temperature of the hydrogen-oxygen vapor. This is achieved by the fact that ballast water supply lines are connected to a stoichiometric oxidation combustion hydrogen-oxygen combustion chamber with nozzles built into them, through which ballast water is injected into the inner region of the stoichiometric oxidation combustion chamber, by which the temperature of hydrogen-oxygen vapor is regulated.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлена система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара. Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - водород-кислородная камера сгорания первоначального нестехиометрического окисления; 2 - запальное устройство; 3 - дожигающая водород-кислородная камера сгорания стехиометрического окисления; 4 - подводящие магистрали, осуществляющие подачу водорода в дожигающую водород-кислородную камеру сгорания 3; 5 - полость смешения высокотемпературного пара со свежим паром; 6 - подводящие магистрали, осуществляющие подачу балластировочной воды к форсункам; 7 - форсунки, осуществляющие впрыск балластировной воды во внутреннюю область дожигающей водород-кислородной камеры сгорания.The invention is illustrated in the drawing, which shows a hydrogen combustion system for steam-hydrogen overheating of fresh steam in a nuclear power plant cycle with temperature control of hydrogen-oxygen vapor. The positions in the drawing indicate the following: 1 - hydrogen-oxygen combustion chamber of the initial non-stoichiometric oxidation; 2 - ignition device; 3 - post-combustion hydrogen-oxygen combustion chamber of stoichiometric oxidation; 4 - supply lines that supply hydrogen to the afterburning hydrogen-oxygen combustion chamber 3; 5 - cavity mixing high-temperature steam with fresh steam; 6 - supply lines supplying ballast water to the nozzles; 7 - nozzles that inject ballast water into the inner region of the afterburning hydrogen-oxygen combustion chamber.
Система сжигания водорода в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара в режиме нормального расхода свежего пара на турбину включает подачу пара от паропроизводящей установки (ППУ) энергоблока АЭС, подачу водорода и кислорода из системы хранения в водород-кислородную камеру сгорания первоначального нестехиометрического окисления 1 с запальным устройством 2, содержащим единый узел зажигания, запальную свечу (электросвечу), подачу водорода в дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления 3 по подводящим магистралям 4, а в режиме сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии (например, в аварийном режиме) помимо перечисленного за исключением подачи пара от паропроизводящей установки энергоблока АЭС включает еще подачу охлаждающей воды в дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления 3 по подводящим магистралям 6, встроенные форсунки 7, через которые производится впрыск охлаждающей воды во внутреннюю область дожигающей водород-кислородной камеры сгорания стехиометрического окисления 3. Дожигающая водород-кислородная камера сгорания стехиометрического окисления 3 помещается в специальной полости смешения 5 высокотемпературного пара со свежим паром.A hydrogen combustion system in a nuclear power plant cycle with regulation of the temperature of hydrogen-oxygen vapor in the normal mode of fresh steam consumption to the turbine includes steam supply from the steam generating unit (PUF) of the nuclear power unit, supply of hydrogen and oxygen from the storage system to the hydrogen-oxygen combustion chamber of the initial non-stoichiometric oxidation 1 with a firing device 2 containing a single ignition unit, a firing plug (electric candle), a hydrogen supply to a stoichiometric oxidizing oxygen-burning combustion chamber 3 along the supply lines 4, and in the mode of reduced consumption of fresh steam or its complete absence (for example, in emergency mode), in addition to the above, except for the supply of steam from the steam generating unit of the power unit, the NPP also includes a supply of cooling water to the stoichiometric oxidation combustion hydrogen-oxygen combustion chamber 3 along the supply lines 6, built-in nozzles 7 through which cooling water is injected into the inner region of the stoichiometric oxygen-burning combustion chamber acidification 3. The hydrogen-oxygen post-combustion combustion chamber of stoichiometric oxidation 3 is placed in a special mixing chamber 5 of high-temperature steam with fresh steam.
Система сжигания водорода в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара работает следующим образом.The hydrogen combustion system in the cycle of nuclear power plants with temperature control of hydrogen-oxygen vapor works as follows.
В часы провала электрической нагрузки, в энергосистеме выработанные водород и кислород в электролизной установке при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов аккумулируются в емкостях хранения. В режиме нормального расхода свежего пара на турбину в часы пиковых электрических нагрузок в энергосистеме водород и кислород отбираются из емкостей хранения и при помощи дожимных водородных и кислородных компрессорных агрегатов компримируются до давления рабочего тела в паросиловом цикле, поступают в водород-кислородную камеру сгорания первоначального нестехиометрического окисления 1, где за счет запального устройства 2 происходит окисление водорода в нестехиометрическом соотношении с кислородом без использования охлаждающего балластировочного компонента. В результате образуется водяной пар с содержанием доли недореагировавшего кислорода при температуре смеси соответствующей самовоспламенению водорода. Полученная смесь водяного пара с недореагировавшей долей кислорода поступает в специальную дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления 3, где происходит окисление вновь подаваемой доли водорода за счет его самовоспламенения в стехиометрическом соотношении. Образующийся при этом высокотемпературный водяной пар на выходе из дожигающей дополнительной водород-кислородной камеры сгорания стехиометрического окисления 3 смешивается со свежим паром, поступающим в турбоустановку в полости смешения 5, перегревая его до более высокой температуры. Дожигающая водород-кислородная камера сгорания стехиометрического окисления 3 представляет собой диффузор, размещенный в полости смешения 5. Свежий пар до смешения с высокотемпературным паром омывает снаружи дожигающую водород-кислородную камеру сгорания стехиометрического окисления 3, обеспечивая ее охлаждение.During the hours of failure of the electric load, in the power system, the generated hydrogen and oxygen in the electrolysis unit are accumulated in storage tanks with the help of booster hydrogen and oxygen compressor units. In the mode of normal flow of fresh steam to the turbine during peak electrical loads in the power system, hydrogen and oxygen are taken from storage tanks and, using booster hydrogen and oxygen compressor units, are compressed to the pressure of the working fluid in the steam-power cycle, they enter the hydrogen-oxygen combustion chamber of the initial non-stoichiometric oxidation 1, where due to the ignition device 2, hydrogen is oxidized in a non-stoichiometric ratio with oxygen without using a cooling ba lasting component. As a result, water vapor is formed with the content of the fraction of unreacted oxygen at the temperature of the mixture corresponding to self-ignition of hydrogen. The resulting mixture of water vapor with an unreacted oxygen fraction enters a special stoichiometric oxidation 3 hydrogen-oxygen combustion chamber, where the newly supplied fraction of hydrogen is oxidized due to its self-ignition in a stoichiometric ratio. The resulting high-temperature water vapor at the outlet of the additional stoichiometric oxidation 3 hydrogen-oxygen combustion chamber afterburning is mixed with fresh steam entering the turbine unit in mixing chamber 5, overheating it to a higher temperature. The stoichiometric oxidation combustion chamber hydrogen-oxygen oxidation chamber 3 is a diffuser located in the mixing cavity 5. Fresh steam, before mixing with the high-temperature steam, washes outside the stoichiometric oxidation combustion chamber 3, providing its cooling.
В режиме сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии (например, в аварийном режиме) посредством магистралей подачи балластировочной воды 6 со встроенными форсунками 7, обеспечивающие прямой контакт балластировочной воды с высокотемпературным водород-кислородным паром, осуществляется регулирование его температуры и использование в соответствующем турбоагрегате.In the mode of reduced consumption of fresh steam or its complete absence (for example, in emergency mode) through ballast water supply lines 6 with integrated nozzles 7, which provide direct contact of ballast water with high-temperature hydrogen-oxygen steam, its temperature is controlled and used in the corresponding turbine unit.
Отличительным признаком предложенного изобретения является надежная и эффективная работа системы сжигания водорода в цикле АЭС в условиях сниженного расхода свежего пара или полном его отсутствии.A distinctive feature of the proposed invention is the reliable and efficient operation of the hydrogen combustion system in the NPP cycle under conditions of reduced consumption of fresh steam or its complete absence.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012118303/07A RU2488903C1 (en) | 2012-05-03 | 2012-05-03 | Combustion system of hydrogen in nuclear power plant cycle with temperature control of hydrogen-oxygen steam |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012118303/07A RU2488903C1 (en) | 2012-05-03 | 2012-05-03 | Combustion system of hydrogen in nuclear power plant cycle with temperature control of hydrogen-oxygen steam |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2488903C1 true RU2488903C1 (en) | 2013-07-27 |
Family
ID=49155758
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012118303/07A RU2488903C1 (en) | 2012-05-03 | 2012-05-03 | Combustion system of hydrogen in nuclear power plant cycle with temperature control of hydrogen-oxygen steam |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2488903C1 (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2548703C1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-04-20 | Владислав Юрьевич Климов | Nozzle of steam-gas generator mixing head |
| RU2572679C1 (en) * | 2014-10-28 | 2016-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Thermal power station |
| RU2661231C1 (en) * | 2017-09-28 | 2018-07-13 | Рашид Зарифович Аминов | Method of hydrogen steam overheating at npp |
| RU2661341C1 (en) * | 2017-11-28 | 2018-07-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Hybrid npp with additional high-temperature steam turbine |
| RU2707182C1 (en) * | 2019-02-25 | 2019-11-25 | Рашид Зарифович Аминов | Method to increase power of double circuit npp by combining with hydrogen cycle |
| RU2709237C1 (en) * | 2018-09-27 | 2019-12-17 | Артем Николаевич Байрамов | Hydrogen burning system for hydrogen vapor overheating of fresh steam in a cycle of a nuclear power plant with swirled flow of components and using ultrahigh-temperature ceramic materials |
| RU2771618C1 (en) * | 2021-07-05 | 2022-05-11 | Общество с ограниченной ответственностью «Симонов и партнеры» | Hybrid two-block nuclear power plant according to zaryankin's thermal scheme |
| WO2023282790A1 (en) * | 2021-07-05 | 2023-01-12 | Общество с ограниченной ответственностью "Симонов и партнеры" | Hybrid two-unit nuclear power plant |
| US11988114B2 (en) | 2022-04-21 | 2024-05-21 | Mitsubishi Power Americas, Inc. | H2 boiler for steam system |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0316132A2 (en) * | 1987-11-12 | 1989-05-17 | Blower Engineering Inc. | Steam generator |
| EP1592919A1 (en) * | 2003-01-31 | 2005-11-09 | Institut Francais Du Petrole | Steam generator comprising successive combustion chambers |
| RU2309325C1 (en) * | 2005-12-19 | 2007-10-27 | Александр Никифорович Грязнов | Steam generator |
| RU2427048C2 (en) * | 2009-05-04 | 2011-08-20 | Рашид Зарифович Аминов | Hydrogen combustion system for steam-hydrogen live steam superheating in cycle of nuclear power plant |
-
2012
- 2012-05-03 RU RU2012118303/07A patent/RU2488903C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0316132A2 (en) * | 1987-11-12 | 1989-05-17 | Blower Engineering Inc. | Steam generator |
| EP1592919A1 (en) * | 2003-01-31 | 2005-11-09 | Institut Francais Du Petrole | Steam generator comprising successive combustion chambers |
| RU2309325C1 (en) * | 2005-12-19 | 2007-10-27 | Александр Никифорович Грязнов | Steam generator |
| RU2427048C2 (en) * | 2009-05-04 | 2011-08-20 | Рашид Зарифович Аминов | Hydrogen combustion system for steam-hydrogen live steam superheating in cycle of nuclear power plant |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2548703C1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-04-20 | Владислав Юрьевич Климов | Nozzle of steam-gas generator mixing head |
| RU2572679C1 (en) * | 2014-10-28 | 2016-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Thermal power station |
| RU2661231C1 (en) * | 2017-09-28 | 2018-07-13 | Рашид Зарифович Аминов | Method of hydrogen steam overheating at npp |
| RU2661341C1 (en) * | 2017-11-28 | 2018-07-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Hybrid npp with additional high-temperature steam turbine |
| RU2709237C1 (en) * | 2018-09-27 | 2019-12-17 | Артем Николаевич Байрамов | Hydrogen burning system for hydrogen vapor overheating of fresh steam in a cycle of a nuclear power plant with swirled flow of components and using ultrahigh-temperature ceramic materials |
| RU2707182C1 (en) * | 2019-02-25 | 2019-11-25 | Рашид Зарифович Аминов | Method to increase power of double circuit npp by combining with hydrogen cycle |
| RU2771618C1 (en) * | 2021-07-05 | 2022-05-11 | Общество с ограниченной ответственностью «Симонов и партнеры» | Hybrid two-block nuclear power plant according to zaryankin's thermal scheme |
| WO2023282790A1 (en) * | 2021-07-05 | 2023-01-12 | Общество с ограниченной ответственностью "Симонов и партнеры" | Hybrid two-unit nuclear power plant |
| US11988114B2 (en) | 2022-04-21 | 2024-05-21 | Mitsubishi Power Americas, Inc. | H2 boiler for steam system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2488903C1 (en) | Combustion system of hydrogen in nuclear power plant cycle with temperature control of hydrogen-oxygen steam | |
| RU2427048C2 (en) | Hydrogen combustion system for steam-hydrogen live steam superheating in cycle of nuclear power plant | |
| RU2644668C1 (en) | Gas-steam generator | |
| RU2633741C1 (en) | Steam and gas generator | |
| RU2635012C1 (en) | Steam-gas generator | |
| RU2613011C1 (en) | Steam-gas generator | |
| RU2713554C1 (en) | Method and system for power generation from gas with low calorific value | |
| RU2371594C1 (en) | Method for steam generation in steam-gas-generator and device for its realisation | |
| RU2300049C1 (en) | Mini steam generator | |
| RU2661231C1 (en) | Method of hydrogen steam overheating at npp | |
| RU2709237C1 (en) | Hydrogen burning system for hydrogen vapor overheating of fresh steam in a cycle of a nuclear power plant with swirled flow of components and using ultrahigh-temperature ceramic materials | |
| RU2361146C1 (en) | Vortex hydrogen-oxygen vapour superheater | |
| RU119812U1 (en) | STEAM GAS GENERATOR | |
| RU2758644C1 (en) | System of combustion of hydrogen in oxygen in circulated flow of increased safety using ultra high-temperature ceramic materials for superheating working body in steam turbine electric cycle | |
| RU2612491C1 (en) | Steam-gas generator | |
| RU2079684C1 (en) | Steam generator | |
| RU2707182C1 (en) | Method to increase power of double circuit npp by combining with hydrogen cycle | |
| RU199761U1 (en) | HYDROGEN STEAM HEATER OF MEGWATT POWER LEVEL | |
| RU2499952C2 (en) | Steam generator and method to produce high-temperature water steam | |
| RU2812382C1 (en) | Steam gas generator | |
| RU2812526C1 (en) | Steam gas generator | |
| RU2379590C1 (en) | Mixing system of hydrogen-oxygen steam generator | |
| CN113756771B (en) | Supercritical hydrothermal combustion type multi-element hot fluid generating system suitable for low-flash-point fuel | |
| RU196552U1 (en) | MIXING ELEMENT OF HYDROGEN-OXYGEN STEAM HEATER | |
| RU2664637C1 (en) | Steam-gas generator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150504 |