Конструктивные решения энергоисточников для промышленного теплоснабжения

Исходя из прогнозных исследований развития и потребностей энергетического рынка, выполнены предконцептуальные проработки прототипной коммерческой РУ МГР [5] с унифицированным модульным гелиевым реактором тепловой мощностью ~200 МВт и на ее основе ряда энергоисточников для различного энерготехнологического применения.

Проектной основой для этих разработок послужили мировой опыт создания экспериментальных установок с высокотемпературным газоохлаждаемым реактором (ВТГР), опыт разработки в России (более 40 лет) проектов РУ с ВТГР различного уровня мощности (от 100 до 1000 МВт) и назначения.

Также использовались результаты разработок проекта реакторной установки ГТ-МГР [6] с модульным гелиевым реактором, выполняемого в рамках российско-американской программы.

В рамках проработок были рассмотрены несколько вариантов МГР для энерготехнологического назначения:

• — для производства электроэнергии и коммунального теплоснабжения, с преобразованием тепловой энергии активной зоны в электрическую в прямом газотурбинном (ГТ) цикле Брайтона — МГР-100 ГТ;
• — для производства электроэнергии и водорода методом высокотемпературного электролиза пара (ВЭП) — МГР-100 ВЭП;
• — для производства водорода методом паровой конверсии метана (ПКМ) — МГР-100 ПКМ;
• — для высокотемпературного теплоснабжения нефтехимического производства (НП) — МГР-100 НП.

Каждый вариант установки МГР-100 состоит из энергетической и технологической частей.

Энергетическая часть максимально унифицирована для всех вариантов и представляет собой энергоблок, включающий реактор и, в зависимости от назначения, газотурбинный блок преобразования энергии (БПЭ), предназначенный для производства электроэнергии, и (или) блоки теплообменного оборудования.

Технологическая часть МГР-100, в зависимости от назначения, представляет собой или технологическую установку по производству водорода или контуры высокотемпературного теплоснабжения, снабжающие теплом различные технологические процессы.

Основными критериями при выборе технических решений являлись обеспечение высоких технико-экономических показателей в части выработки электроэнергии и высокопотенциального тепла, минимизация воздействия на обслуживающий персонал, население и окружающую среду, исключение радиоактивного загрязнения технологического продукта.

В основу конфигурации энергоисточника положены следующие принципы.

Мощность реактора и его конструкция универсальны для всех вариантов энергоисточника, различаются только параметры теплоносителя. Выбор уровня мощности РУ (215 МВт) определялся:

• — потребностями электроэнергетики и коммунального теплоснабжения;
• — потребностями промышленных предприятий в высокои среднетемпературном теплоснабжении технологических процессов;
• — технологическими возможностями отечественных предприятий по изготовлению основного оборудования РУ, включая корпуса.

Реактор — модульный с активной зоной, состоящей из шестигранных призматических ТВС, с гелиевым теплоносителем, обладающий свойствами внутренней самозащищенности. Безопасность обеспечивается за счёт использования пассивных принципов действия систем. Остаточные тепловыделения и аккумулированное тепло отводятся от активной зоны через корпус реактора к системе охлаждения шахты реактора и далее в атмосферу с помощью естественных физических процессов теплопроводности, излучения, конвекции без превышения пределов безопасной эксплуатации топлива, в том числе и в авариях с полной потерей теплоносителя первого контура, при отказе всех активных средств циркуляции и источников энергоснабжения.

Циркуляция теплоносителя в петлях первого контура осуществляется главной циркуляционной газодувкой (ГЦГ) или компрессорами турбомашины БПЭ.

Компоновка всех рассматриваемых вариантов МГР-100 выполнена с учетом требований безопасной эксплуатации реакторной установки при всех возможных на АС авариях. Каждая РУ размещается в главном здании АС, состоящем из наземной части, являющейся зданием техобслуживания и перегрузки реактора (центральным залом) и подземного контейнмента (защитной оболочки РУ) низкого давления, расположенного под центральным залом.

В контейнменте размещаются энергетическое оборудование реакторной установки и оборудование основных систем, важных для безопасности. Контейнмент выполнен из монолитного железобетона, герметичный, с внутренними размерами: диаметр 35 м, высота не более 35 м, способен при разгерметизации первого контура РУ и/или трубопроводов второго контура выдержать внутреннее давление среды до 0,5 МПа. Контейнмент обеспечивает оптимальное использование площадей и объемов помещений, высокую компактность размещения оборудования, облегчение операций по замене оборудования и перегрузке топлива, герметичность по отношению к смежным помещениям главного здания АС и окружающей среде, отвод тепла в грунт в запроектных авариях.

Конструкция оборудования первого контура имеет блочное исполнение. Основное энергетическое оборудование МГР-100 размещается в стальном блоке корпусов, который состоит из вертикального корпуса реактора, одного-трёх вертикальных корпусов БПЭ и теплообменного оборудования и одного-трёх горизонтальных соединительных корпусов, связывающих вертикальные корпуса в единый корпус высокого давления. Корпуса основного оборудования по своим размерам аналогичны корпусу реактора ВВЭР. Особое внимание уделено минимизации количества внешних трубопроводов первого контура.

В вариантах энергоисточников для МГР-100 ГТ и МГР-100 ВЭП (Рис. 1, 2) предусматривается применение унифицированного газотурбинного БПЭ. Центральное место в БПЭ занимает турбомашина (ТМ), представляющая собой агрегат вертикального исполнения, состоящий из турбокомпрессора (ТК) и генератора, роторы которых имеют различную частоту вращения — 9000 об/мин и 3000 об/мин, соответственно. В качестве основных опор применены электромагнитные подшипники. Генератор размещен вне контура циркуляции гелия в среде воздуха. Предварительный и промежуточный холодильники БПЭ размещены вокруг ТК. Рекуператор расположен в верхней части корпуса выше оси горячего газохода. Сбросное тепло отводится от первого контура в предварительном и промежуточном холодильниках БПЭ системой охлаждающей воды и далее к атмосферному воздуху в сухих вентиляторных градирнях. Возможно рассмотреть вариант использования сбросного тепла для отопительных нужд и горячего водоснабжения.

Блоки теплообменников предназначены для передачи тепловой энергии от реактора потребителю в энерготехнологические производства. В зависимости от рабочей среды, типа процесса и вероятности попадания радиоактивности в продукт технологического производства и загрязнения радиоактивными продуктами оборудования, может применяться двухили трехконтурная схема РУ.

Так, в АС для производства водорода методом высокотемпературного электролиза пара (МГР-100 ВЭП) и методом паровой конверсии метана (МГР-100 ПКМ) применена двухконтурная схема. В этих процессах основным компонентом технологической среды является водяной пар. Проведенный анализ показывает, что при возможных аварийных ситуациях с разгерметизацией парогенератора или высокотемпературного теплообменника эффекты поступления водородосодержащих продуктов в реактор надежно регулируются системами управления и защиты реактора.

Вариант энергоисточника для снабжения теплом нефтехимического производства (МГР-100 НП) предусматривает трехконтурную тепловую схему. Передача тепла от РУ потребителю осуществляется через высокотемпературный промежуточный теплообменник «гелий-гелий» и промежуточный гелиевый контур, и далее к сетевому контуру НП. Такое решение ограничивает выход радиоактивности в сетевой контур, обеспечивая радиационную чистоту технологического продукта, а также минимальное загрязнение первого контура технологическими примесями.

Основными техническими мерами, направленными на исключение потенциальной опасности попадания радиоактивности в продукт технологического производства, являются создание и поддержание гарантированного перепада давления (~0,5 МПа), направленного в сторону первого контура, а для варианта МГР-100 НП еще и введение промежуточного контура. Эксплуатационные протечки гелия из промежуточного контура в первый контур не оказывают отрицательного воздействия на РУ.

Энергоисточник МГР-100 ГТ для производства электроэнергии и коммунального теплоснабжения. Энергоисточник МГР-100 ГТ предназначен для производства электроэнергии в прямом газотурбинном цикле. Высокая температура сбросного тепла газотурбинного цикла (более 100 °С) позволяет использовать его для горячего водоснабжения и теплоснабжения. В климатических условиях России такая функциональная возможность имеет большое значение. Свидетельством тому являются данные по годовому расходу природного газа на производство электроэнергии и тепла, которые составляют ~ 135 и 200 млрд. м³, соответственно.

МГР-100 ГТ может эксплуатироваться в двух режимах: в режиме только производства электроэнергии и в комбинированном режиме производства электроэнергии и коммунального теплоснабжения за счет утилизации сбросного тепла. Таким образом, кроме более высокого КПД производства электроэнергии, МГР-100 ГТ предоставляет потенциальную возможность получить коэффициент использования тепла около 99%.

При работе установки в комбинированном режиме сбросное тепло отводится к теплоносителю сетевого контура в сетевых теплообменниках. В режиме производства только электроэнергии сетевой контур отключен, и сбросное тепло отводится к атмосферному воздуху в сухих вентиляторных градирнях.

Принципиальная схема МГР-100 ГТ представлена на Рис. 1. Требуемая температура подводимой к потребителю сетевой воды (150 єС) обеспечивается за счет уменьшения расхода и повышения давления в контуре охлаждающей воды БПЭ. Чтобы не допустить в комбинированном режиме повышения температуры гелия на входе в рекуператор сверх допустимых пределов (600 °С), организована байпасная ветка с регулируемым перепуском гелия первого контура помимо рекуператора по стороне ВД (с выхода КВД на выход рекуператора по стороне ВД).

Основные параметры МГР-100 ГТ в режиме выдачи электроэнергии и коммунального теплоснабжения приведены в таблице 2. В комбинированном режиме электрическая мощность установки составит 57 МВт, тепловая мощность, отводимая сетевой водой, 154 МВт.

Таблица 2. Основные параметры МГР-100 ГТ.

Себестоимость вырабатываемой электроэнергии с учетом полезного использования сбросного тепла для целей бытового теплоснабжения практически снижается в два раза, по сравнению с вариантом работы только в режиме выработки электроэнергии. При этом следует учитывать экономический эффект от исключения тепловых выбросов в окружающую среду.

Энергоисточники МГР-100 ВЭП и МГР-100 ПКМ для производства водорода. Переход к водородной экономике основывается, в том числе, на создании технологии использования энергии ВТГР в процессах производства водорода, имеющих высокую термодинамическую и технико-экономическую эффективность. Эти процессы, по возможности, должны исключать потребление органического топлива, прежде всего нефти и газа, которые имеют ограниченные запасы и являются ценным сырьем для промышленности. К таким процессам относится получение водорода из воды с помощью следующих основных способов: электролиз, термохимическое разложение и высокотемпературный электролиз пара. Их стоимость не зависит от постоянно возрастающих цен на нефть и газ, в отличие, например, от получения водорода из метана. В то же время для первого этапа освоения водородной энергетики, при еще относительно низких ценах на газ, рассматриваются процессы получения водорода из метана. Анализ требований к эффективности производства потребляемой энергии и уровню температуры тепла позволяет сформулировать требования к ВТГР как к источнику энергии, основными из которых являются:

• — производство высокопотенциального тепла до 950 С;
• — отсутствие загрязнения водорода радиоактивными веществами или их приемлемо низкий уровень;
• — низкая стоимость производства водорода по сравнению с традиционными способами;
• — высокий уровень безопасности энерготехнологического комплекса.

В качестве основных процессов производства водорода на этапе концептуальных проработок МГР-100 рассматриваются:

• — высокотемпературный электролиз воды;
• — паровая конверсия природного газа (метана).

Таблица 3. Основные параметры МГР-100 ВЭП.

Принципиальная схема МГР-100 ВЭП для производства электроэнергии и перегретого пара требуемых параметров с целью получения водорода методом высокотемпературного электролиза представлена на Рис. 2.

За основу для варианта МГР-100 ВЭП принята конфигурация РУ с параллельной схемой расположения петель теплообмена в первом контуре. Одна петля включает реактор, парогенерирующий блок и ГЦГ. Другая — реактор и БПЭ. Таким образом, часть тепловой энергии (~10%), вырабатываемой в активной зоне реактора, передается в ПГБ для нужд водородного производства, остальная часть преобразуется в БПЭ в электрическую энергию в прямом газотурбинном цикле.

Основные параметры установки приведены в таблице 3. Температура гелия на выходе из реактора составляет 850 °C, что не превышает соответствующей температуры в прототипной РУ ГТ-МГР. Второй контур предназначен для производства перегретого пара в парогенераторе (Рис. 3). Циркуляция гелия в ПГБ осуществляется главной циркуляционной газодувкой. Подвод воды и отвод пара производится через крышку ПГ. Перегретый до требуемых параметров пар отводится по трубопроводам в установку высокотемпературного электролиза на твердооксидных электрохимических элементах, в которой водяной пар разлагается на водород и кислород с разделением этих реагентов. Установка ВЭП снабжается электроэнергией, вырабатываемой генератором БПЭ.

Принципиальная схема МГР₁₀₀ ПКМ для выработки высокопотенциального тепла с целью получения водорода методом паровой конверсии метана представлена на Рис. 4.

Паровая конверсия метана является на сегодня основным промышленно освоенным и приспособленным для первого этапа внедрения технологий производства водорода (совместно с ВТГР) процессом. На нем основано существующее мировое производство водорода. Сочетание ВТГР и ПКМ позволяет примерно на 40% снизить потребление природного газа, а следовательно, и затраты, необходимые для производства водорода. Экономическая эффективность внедрения ПКМ определяется ценой на газ и температурой потребляемого тепла. Требуемая температура нагрева парогазовой смеси должна быть не ниже 800 С, причем дальнейшее повышение температуры на эффективность процесса практически не влияет.

Тепловая энергия отводится от реактора к рабочей среде второго контура (парогазовой смеси) в высокотемпературных теплообменниках (ВТО), которые являются составной частью термоконверсионного аппарата (ТКА). Реализация конверсии метана (CH₄+H₂0(пар)+тепло>CO₂+4H₂) происходит в ТКА по трехступенчатой схеме. Парогазовая смесь (пар — 83,5%, CH₄ — 16,5%) подается последовательно в три ступени — ТКА1, ТКА2 и ТКА3. Это и определяет конфигурацию теплопередающего блока РУ. Он состоит из трех отдельных высокотемпературных теплообменников ВТО 1, ВТО 2, ВТО 3 (Рис.5), представляющих отдельные ступени (секции) блока. Расположение секций ВТО по ходу теплоносителя первого контура — параллельное, по ходу парогазовой смеси — последовательное.

После ТКА-3 парогазовая смесь (пар-55%, СН₄, Н₂, СО, СО₂ — 45%) с большой концентрацией водорода последовательно проходит блок очистки от СО₂ и Н₂О и направляется в блок отделения водорода. Возвратная фракция и природный газ смешиваются с перегретым паром и затем направляются в ТКА. Циркуляция гелия в первом контуре осуществляется ГЦГ, парогазовой смеси — компрессорами.

Основные параметры установки приведены в таблице 4. Температура гелия на выходе из реактора составляет 950 єС.

Таблица 4. Основные параметры МГР-100 ПКМ.

В зависимости от типа компоновки (петлевая или блочная) основного оборудования РУ, конфигурация теплопередающего блока может быть различной. В блочной компоновке основное оборудование РУ соединяется с помощью коротких патрубков типа «труба в трубе», в состав теплопередающего блока целесообразно включить также и ГЦГ.

Энергоисточник МГР₁₀₀ НПЗ для нефтехимического производства. МГР-100 НПЗ предназначена для выработки высокопотенциального или среднепотенциального тепла с целью обеспечения технологических нужд нефтехимического производства (нагрев сетевых теплоносителей), что позволит сэкономить около 14% перерабатываемой нефти. Проектной базой для нее послужил разработанный в России в 80-е годы эскизный проект модульного реактора с активной зоной из шаровых твэлов и температурой гелия на выходе 750 С. Проект был ориентирован на выработку тепла для технологических процессов на основе требований типового нефтеперерабатывающего завода.

Принципиальная схема МГР-100 НПЗ представлена на Рис. 6. Циркуляция гелия в первом и втором контурах — принудительная и осуществляется циркуляционными газодувками. Рабочей средой сетевого контура является нитрит-нитратная соль. Основные параметры установки приведены в таблице 5.

Таблица 5. Основные параметры МГР-100 НПЗ.

Основными потребителями тепла НПЗ (~50% от тепловой мощности реактора) являются трубчатые печи, предназначенные для термокаталитической переработки нефти. По уровню нагрева нефтепродуктов в печах процессы нефтепереработки делятся на три типа: низкотемпературные (до 400 °С), среднетемпературные (до 550 °С) и высокотемпературные (до 900 °С). Тепло от РУ МГР-100 НПЗ используется также и для покрытия потребностей НПЗ в технологическом паре (~35% от тепловой мощности реактора) и электроэнергии (~15% от тепловой мощности реактора).

Теплопередающий блок состоит из промежуточного теплообменника (ПТО), ГЦГ, внутрикорпусных металлоконструкций (ВКМ).

ПТО (Рис.7) состоит из трубной системы, комплекта каналов (37 шт), собирающей камеры «горячего» гелия промежуточного контура, элементов их крепления и герметизации. Главная циркуляционная газодувка смонтирована в нижней части корпуса ПТО.