Анализ термодинамического цикла ГТУ ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором

Приведен анализ термодинамического цикла блока преобразования энергии модульной ядерной энергетической установки четвёртого поколения с высокотемпературным гелиевым реактором c тепловой мощностью 250 МВт. Представлен анализ влияния параметров рабочего процесса газотурбинной установки сложного термод...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
Hauptverfasser:	Халатов, А.А., Северин, С.Д., Доник, Т.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2015
Schriftenreihe:	Промышленная теплотехника
Schlagworte:	Атомная энергетика
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142169
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Анализ термодинамического цикла ГТУ ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором / А.А. Халатов, С.Д. Северин, Т.В. Доник // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 2. — С. 59-67. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-142169
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1421692018-09-30T01:23:12Z Анализ термодинамического цикла ГТУ ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором Халатов, А.А. Северин, С.Д. Доник, Т.В. Атомная энергетика Приведен анализ термодинамического цикла блока преобразования энергии модульной ядерной энергетической установки четвёртого поколения с высокотемпературным гелиевым реактором c тепловой мощностью 250 МВт. Представлен анализ влияния параметров рабочего процесса газотурбинной установки сложного термодинамического цикла Брайтона на показатели его эффективности. Приведений аналіз термодинамічного циклу блоку перетворення енергії перспективної модульної ядерної енергетичної установки четвертого покоління з високотемпературним гелієвим реактором з тепловою потужністю 250 МВт. Представлений аналіз впливу параметрів робочого процесу газотурбінної установки складного термодинамічного циклу Брайтона на показники його ефективності. The analysis of energy conversion system thermodynamics cycle for perspective modular fourth-generation nuclear power plant with high temperature helium reactor with termal capacity 250MW is represented in the article. The analysis of working process parameters influence for gas-turbine power plant of complicated thermodynamics Briton cycle on the indexes of its efficiency is represented. 2015 Article Анализ термодинамического цикла ГТУ ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором / А.А. Халатов, С.Д. Северин, Т.В. Доник // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 2. — С. 59-67. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0204-3602 DOI: https://doi.org/10.31472/ihe.2.2015.07 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142169 621.039.5; 621.438 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Атомная энергетика Атомная энергетика
spellingShingle	Атомная энергетика Атомная энергетика Халатов, А.А. Северин, С.Д. Доник, Т.В. Анализ термодинамического цикла ГТУ ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором Промышленная теплотехника
description	Приведен анализ термодинамического цикла блока преобразования энергии модульной ядерной энергетической установки четвёртого поколения с высокотемпературным гелиевым реактором c тепловой мощностью 250 МВт. Представлен анализ влияния параметров рабочего процесса газотурбинной установки сложного термодинамического цикла Брайтона на показатели его эффективности.
format	Article
author	Халатов, А.А. Северин, С.Д. Доник, Т.В.
author_facet	Халатов, А.А. Северин, С.Д. Доник, Т.В.
author_sort	Халатов, А.А.
title	Анализ термодинамического цикла ГТУ ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором
title_short	Анализ термодинамического цикла ГТУ ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором
title_full	Анализ термодинамического цикла ГТУ ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором
title_fullStr	Анализ термодинамического цикла ГТУ ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором
title_full_unstemmed	Анализ термодинамического цикла ГТУ ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором
title_sort	анализ термодинамического цикла гту ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Атомная энергетика
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142169
citation_txt	Анализ термодинамического цикла ГТУ ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором / А.А. Халатов, С.Д. Северин, Т.В. Доник // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 2. — С. 59-67. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT halatovaa analiztermodinamičeskogociklagtuâdernojmodulʹnojénergetičeskojustanovkisgelievymreaktorom AT severinsd analiztermodinamičeskogociklagtuâdernojmodulʹnojénergetičeskojustanovkisgelievymreaktorom AT doniktv analiztermodinamičeskogociklagtuâdernojmodulʹnojénergetičeskojustanovkisgelievymreaktorom
first_indexed	2025-07-10T14:20:14Z
last_indexed	2025-07-10T14:20:14Z
_version_	1837270010010009600
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №2 59 УДК 621.039.5; 621.438 АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ГТУ ЯДЕРНОЙ МОДУЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ГЕЛИЕВЫМ РЕАКТОРОМ Халатов А.А., академик НАН Украины, Северин С.Д., канд. техн. наук, Доник Т.В., канд. техн. наук Институт технической теплофизики НАН Украины, ул. Желябова, 2а, Киев, 03680, Украина Приведен анализ термодина- мического цикла блока преобразо- вания энергии модульной ядерной энергетической установки четвёр- того поколения с высокотемпера- турным гелиевым реактором c те- пловой мощностью 250 МВт. Пред- ставлен анализ влияния параметров рабочего процесса газотурбинной установки сложного термодинами- ческого цикла Брайтона на показа- тели его эффективности. Приведений аналіз термодина- мічного циклу блоку перетворення енергії перспективної модульної ядерної енергетичної установки чет- вертого покоління з високотемпера- турним гелієвим реактором з тепло- вою потужністю 250 МВт. Пред- ставлений аналіз впливу параметрів робочого процесу газотурбінної ус- тановки складного термодинамічно- го циклу Брайтона на показники йо- го ефективності. The analysis of energy conversion system thermodynamics cycle for per- spective modular fourth-generation nuclear power plant with high tempe- rature helium reactor with termal ca- pacity 250MW is represented in the article. The analysis of working process parameters influence for gas-turbine power plant of complicated thermody- namics Briton cycle on the indexes of its efficiency is represented. Введение В настоящее время в Украине около половины электроэнергии производится на тепловых элек- тростанциях с электрической мощностью бло- ков 200…300 МВт. Практически все блоки этих станций отработали проектный ресурс (100 тыс. часов) и должны быть в ближайшие 10…15 лет выведены из эксплуатации. По экологическим показателям тепловые электростанции Украины оснащены только системой улавливания твердых частиц и не соответствуют международным тре- бованиям. На смену им создаются электростан- ции нового поколения, среди которых можно от- метить модульные ядерные станции мощностью 100…300 МВт, которые обладают хорошими эко- логическими показателями, за счет низких вред- ных выбросов в окружающую среду. Ядерные станции играют важную роль в энергетике Украины. Они производят около 43 % электроэнергии от общего количества электри- ческой энергии. Основным этапом развития ядерной энергетики в настоящее время является Библ. 5, табл. 2, рис. 5. Ключевые слова: модульная ядерная энергетическая установка, высокотемпературный гелиевый реактор, газотурбинная установка, сложный термодинамический цикл Брайтона, термодинамичес- кая эффективность цикла. АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА G – расход гелия; L – работа турбины; N – мощность цикла; Р – давление потока; Т – температура потока; Q – тепловая мощность; η – коэффициент полезного действия. Индексы: пр – полезная работа; р – реактор; т – турбина; эл – электрический. Сокращения: АЭС – атомная электростанция; БПЭ – блок преобразования энергии; ВТГР – высокотемпературный гелиевый реактор; ГТ-МГР – газовая турбина-модульный гелиевый реактор; ГТУ – газотурбинная установка; КВД – компрессор высокого давления; КНД – компрессор низкого давления; КПД – коэффициент полезного действия; ТА – теплообменный аппарат. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №260 АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА создание экологически чистых реакторов 4-го поколения повышенной безопасности [1, 2]. В ряде стран ведутся работы по международному проекту «Generation IV» в рамках программы «Ядерные реакторы IV поколения». Высокий уровень безопасности новых реакторов дости- гается за счет совершенствования активных, вве- дения пассивных защитных и локализующих сис- тем, а также реализации концепции внутренней безопасности. Для сокращения финансовых ри- сков и повышения безопасности ядерных реак- торов в настоящее время наиболее перспектив- ным направлением представляется разработка малых энергоблоков тепловой мощностью 200… 300 МВт, которые могут быть построены как самостоятельно, так и в составе более крупных блоков. Одной из возможных концепций созда- ния ядерных электростанций четвёртого поко- ления является разрабатываемый в настоящее время в разных странах, так называемый, ВТГР, в котором в качестве теплоносителя для реакто- ра и рабочего тела для БПЭ-ГТУ используется гелий [1, 2]. В проекте ВТГР для преобразования тепло- вой энергии в электрическую используется со- временная ГТУ, которая включает в себя газовую турбину вертикального типа на электромагнит- ных подшипниках с использованием высокоэф- фективного теплообменного оборудования. Эта концепция легла в основу международного про- екта «Газовая турбина-модульный гелиевый ре- актор» – ГТ-МГР [1]. Преобразование энергии нагретого гелия в механическую и далее в элек- трическую энергию осуществляется при помощи газотурбинной установки, работающей по слож- ному замкнутому циклу Брайтона с регенерацией теплоты и промежуточным охлаждением рабо- чего тела в компрессоре. Принципиальными особенностями ГТ-МГР являются: высокая эффективность производства электроэнергии (КПД до 50 %); повышенная без- опасность, обусловленная самозащищённостью и невозможностью плавления активной зоны при тяжелых аварийных ситуациях; капсулиро- вание установки и размещение ее под землей; эффективное использование ядерного топлива и возможность реализации различных вариантов топливного цикла (уран, плутоний, торий); сни- жение теплового и радиационного воздействия на окружающую среду. В настоящее время в открытой литерату- ре имеются только данные по исследованию энергетической установки ГТ-МГР мощностью 100 МВт [3], в то время как для Украины наи- более перспективными являются установки мощ- ностью 200…300 МВт. Поэтому данная работа посвящена исследованию модульной ядерной энергетической установки ГТ-МГР мощностью 250 МВт, а именно, термодинамического цикла БПЭ-ГТУ с высокотемпературным гелиевым ре- актором в режиме выработки электроэнергии и в комбинированном режиме производства элек- троэнергии и коммунального теплоснабжения. В работе выполнен расчет параметров цикла, по- казателей мощности и эффективности ГТУ слож- ного цикла, исследовано влияние степени реге- нерации теплоты и температурного коэффици- ента промежуточного охлаждения в компрес- соре на эффективность ГТУ. Схема ГТ-МГР и термодинамический цикл БПЭ-ГТУ Энергетическая установка ГТ-МГР тепловой мощностью 250 МВт (рис. 1) состоит из связан- ных воедино двух блоков: модульного гелиево- го реактора (МГР) и блока преобразования энер- гии – газотурбиной установки (БПЭ-ГТУ). В ос- нове концепции МГР лежит использование ак- тивной зоны с графитовым замедлителем, ядер- ным топливом в виде микросфер с многослой- ными керамическими покрытиями и гелием в качестве теплоносителя. В активной зоне пол- ностью отсутствуют металлоконструкции. Это позволяет достигнуть температуры гелия на вы- ходе из реактора 850…950 °С, что обеспечивает высокую эффективность производства электро- энергии в сложном термодинамическом цикле, а также возможность использовать МГР как ис- точник промышленной высокотемпературной теплоты для нужд производства электроэнергии и коммунального теплоснабжения. Блок преоб- разования энергии состоит из компрессоров низ- кого и высокого давления, вертикальной турби- ны, находящейся на одном валу с компрессора- ми, регенератора, предварительного и проме- жуточного теплообменников и генератора пере- менного тока, приводимого в действие газовой ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №2 61 АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА турбиной. Энергоустановка эксплуатируется в двух ре- жимах: в режиме производства электроэнергии и в комбинированном режиме производства электроэнергии и коммунального теплоснабже- ния. При работе установки в комбинированном режиме теплота в теплообменниках 5 и 7 (рис. 1) отводится к теплоносителю в сетевых теплооб- менниках. В режиме производства только элек- троэнергии сетевой контур отключен, и сброс- ное тепло отводится в окружающую среду в гра- дирнях. Установка работает следующим образом: на- гретый гелий из реактора поступает в турбину, где после расширения направляется в регенера- тор и далее в предварительный теплообменник. После охлаждения в предварительном теплооб- меннике гелий поступает в КНД, охлаждается в промежуточном теплообменнике, далее поступа- ет в КВД, проходит через регенератор и возвра- щается в реактор. Рис. 1. Схема ГТ-МГР: 1 – реактор; 2 – генератор; 3 – турбина; 4 – регенератор; 5 – предварительный теплообменник; 6 – компрессор низкого давления; 7 – промежуточный теплообменник; 8 – компрессор высокого давления. Рис. 2. Сложный цикл ГТУ в Т-S диаграмме: 1-2 – сжатие в КНД; 2-3 – отвод теплоты Q2'' в промежуточном ТА; 3-4 – сжатие в КВД; 4-5 – подвод теплоты Qp в регенераторе; 5-6 – подвод теплоты Q1 в гелиевом реакторе; 6-7 – расширение в турбине; 7-8 – отвод теплоты Qp в регенераторе; 8-1 – отвод теплоты Q2' в предварительном ТА. Использование в качестве рабочего тела ге- лия, обладающего высокой изобарной теплоём- костью и высоким значением газовой постоян- ной, обеспечивает относительно небольшие для атомных станций габариты газовой турбины. Т-S диаграмма термодинамического цикла ГТУ, работающая по замкнутому циклу Брайто- на с регенерацией теплоты Qp и промежуточным охлаждением гелия в компрессоре представле- на на рис. 2. Использование сложного цикла для БПЭ ГТ-МГР при всех технологических пробле- мах, связанных с его практической реализацией, является условием, необходимым для достиже- ния высокой эффективности ГТУ при сравни- тельно низких значениях максимальной темпе- ратуры цикла (T6 = 850…900 °C). Основной характеристикой термодинамичес- кого цикла является его эффективность, которая оценивается электрическим КПД ГТУ, представ- ляющим собой отношение удельной работы цик- ла к затраченной в цикле удельной теплоте [4]: ηэл = Nэл/Qp, (1) где Qp – тепловая мощность реактора, Вт, а также коэффициентом полезной работы цикла ηпр = Nэл/(LтG). (2) ' '' ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №262 АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Как указывалось выше, для повышения по- казателей эффективности ГТУ в цикле предус- мотрено промежуточное охлаждение рабочего тела в компрессоре (процесс 2-3), а также подо- грев рабочего тела за компрессором за счёт те- плоты отработанного гелия (процесс 4-5) в ре- генераторе. Охлаждение гелия в предварительном теп- лообменнике до температуры T1, а затем, в про- межуточном теплообменнике до температуры Т3 позволяет уменьшить работу сжатия цикла, а, следовательно, увеличить полную удельную ра- боту цикла. При этом чем ниже температура Т3, то есть, чем глубже промежуточное охлаждение, тем больше прирост удельной работы цикла. Глу- бина промежуточного охлаждения гелия в ком- прессоре оценивается температурным коэффи- циентом промежуточного охлаждения [4]: τк = Т3/T1. (3) Количество теплоты переданной в регенера- торе определяется степенью регенерации, пред- ставляющей собой отношение теплоты, полу- ченной гелием, к максимально возможному её количеству в идеальном регенераторе с беско- нечно большой площадью поверхности тепло- обмена: σ = (Т5 – T4)/(Т7 – T4), (4) где Т5 – действительная температура гелия на выходе из регенератора. Применение регенерации теплоты в цикле позволяет повысить термическую эффектив- ность ГТУ, однако в реальных циклах ГТУ сте- пень регенерации имеет предельно достижимое значение, зависящее от уровня гидравлических потерь в элементах ГТУ и тепловой эффектив- ности регенератора теплоты. Целесообразная величина степени регенерации зависит от пара- метров рабочего тела и определяется по мини- мальным приведенным затратам. Как правило, для реальных ГТУ значение степени регенера- ции находится в диапазоне 0,7 < σ < 0,85. Результаты исследований и их анализ На начальном этапе была создана математи- ческая модель сложного цикла ГТУ, включающая последовательный расчет параметров цикла для режима выработки электроэнергии и комбини- рованного режима. Алгоритм расчёта цикла Брайтона с регенерацией теплоты и промежу- точным охлаждением воздуха в компрессоре реализован в виде компьютерной программы «Helium v1.2» на алгоритмическом языке Com- paq Visual Fortran 6.6. Программа выполнена в графическом интерфейсе под операционную сис- тему Windows и позволяет в интерактивном ре- жиме выполнять анализ цикла гелиевой ГТУ как в режиме выработки электроэнергии, так и в ком- бинированном режиме работы. Тестирование математической модели гелие- вой ГТУ производилось на основании имеющих- ся в открытой литературе данных по гелиевому реактору МГР-100 ГТ электрической мощностью 100 МВт [3]. Полученные результаты показали хорошее соответствие с результатами работы [4]. Погрешности по электрической и тепловой мощ- ности установки составили не более 0,5 %, а по расходу гелия в установке 1,3%. Погрешность по электрическому КПД цикла находится в диапа- зоне 0,87…1,2 %. Основные исследования проводились для цикла ГТУ модульного гелиевого реактора теп- ловой мощностью 250 МВт. Начальные данные для расчета цикла ГТУ были выбраны на осно- вании анализа имеющихся в литературе сведе- ний по КПД турбомашин и эффективности теп- лообменников, соответствующие достигнутому технологическому уровню в современном газо- турбостроении (таблица 1). В расчетах исполь- зовались следующие значения теплофизических свойств гелия: удельная теплоемкость при пос- тоянном давлении – ср = 5195 Дж/кг∙К; удель- ная теплоемкость при постоянном объеме – сv = = 3117 Дж/кг∙К; показатель адиабаты – k = 1,6667. В режиме выработки электроэнергии значе- ние степени регенерации принималось равным 0,83, что соответствует технологическим до- стижениям в области теплообменного оборудо- вания. Для комбинированного режима степень регенерации составляет 0,493, что определяется из условия обеспечения регенеративного цикла при пониженном режиме работы энергетичес- кой установки. Результаты расчётов циклов для двух рассмо- тренных режимов работы ГТУ представлены в ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №2 63 АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Табл. 1. Исходные данные для расчета цикла ГТУ № п.п. Параметр Режим выработки электроэнергии Комбинированный режим 1 Тепловая мощность реактора, МВт 250 250 2 Температура гелия на входе в реактор, °С 560 500 3 Температура гелия на выходе из реактора, 0°С 850 800 4 Давление гелия на входе в реактор, МПа 5,0 5,0 5 Температура гелия на выходе из турбины, °С 585 595 6 КПД турбины 0,93 0,93 7 КПД компрессора низкого давления 0,875 0,875 8 КПД компрессора высокого давления 0,85 0,85 9 Коэффициент эффективности регенератора 0,85 0,8 10 Коэффициент эффективности предварительного теплообменника 0,85 0,815 11 Коэффициент эффективности промежуточного теплообменника 0,85 0,815 12 Относительные потери давления в горячей магистрали регенератора, % 3,0 3,0 13 Относительные потери давления в холодной магистрали регенератора, % 3,0 1,5 14 Относительные потери давления в горячей маги- страли предварительного теплообменника, % 3,0 3,0 15 Относительные потери давления в горячей маги- страли промежуточного теплообменника, % 3,0 3,0 16 Относительные потери давления в контуре охлаждения реактора, % 5,0 5,0 17 Температурный коэффициент промежуточного охлаждения в компрессоре 1,0 1,048 18 КПД электрогенератора 0,987 0,987 19 Степень регенерации цикла 0,83 0,493 таблице 2, а рассчитанные термодинамические диаграммы циклов показаны на рис. 3. Как следует из полученных результатов, при тепловой мощности реактора 250 МВт, в режиме выработки электроэнергии полезная электриче- ская мощность установки составляет 115,73 МВт, а электрический КПД – 46,3 %. Потребные мощ- ности теплообменного оборудования БПЭ-ГТУ составляют: регенератор – 123,7 МВт; предва- рительный теплообменник – 132,74 МВт; про- межуточный теплообменник – 111,18 МВт. В комбинированном режиме полезная электриче- ская мощность составляет только 69,66 МВт с электрическим КПД равным 27,86 %, полезная тепловая мощность составляет 182,13 МВт, по- требные мощности регенератора, предваритель- ного и промежуточного теплообменников равны 123,7 МВт, 132,74 МВт и 65,99 МВт соответ- ственно. Для современного теплообменного оборудо- вания достигнутые значения степени регенера- ции и температурного коэффициента промежу- точного охлаждения в компрессоре составляют 0,83 и 1,0, соответственно. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №264 АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Табл. 2. Результаты расчета цикла ГТУ № п.п. Параметр Режим выработки электроэнергии Комбинированный режим 1 Потребный расход гелия, кг/с 165,94 160,41 2 Суммарная степень повышения давления в компрессоре 2,397 2,018 3 Степень повышения давления в КНД 1,557 1,465 4 Степень повышения давления в КВД 1,539 1,427 5 Степень понижения давления в турбине 2,078 1,78 6 Работа турбины, кДж 1376,675 1064,975 7 Работа цикла, кДж 706,62 439,97 8 Потребная мощность регенератора, МВт 123,7 123,7 9 Потребная мощность предварительного теплообменника, МВт 132,74 132,74 10 Потребная мощность промежуточного теплообменника, МВт 111,18 65,99 11 Полезная электрическая мощность ГТУ, МВт 115,73 69,66 12 Полезная тепловая мощность ГТУ, МВт - 182,13 13 Внутренний КПД цикла, % 46,9 28,2 14 Электрический КПД цикла, % 46,3 27,9 15 Кэффициент полезной работы цикла 50,7 30,5 16 Эксергетический КПД цикла 69,7 51,98 Рис. 3. P-V и T-S диаграммы цикла ГТУ c тепловой мощностью реактора 250 МВт: сплошная линия – режим выработки электроэнергии; пунктирная линия – комбинированный режим. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №2 65 АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Однако достижение этих значений является технологически сложным и экономически затрат- ным. В связи с этим в работе исследовано вли- яние степени регенерации теплоты и температур- ного коэффициента промежуточного охлажде- ния в компрессоре на показатели эффективности ГТУ в режиме выработки электроэнергии. На рис. 4 представлено влияние степени ре- генерации теплоты на величину электрического КПД ГТУ и коэффициента полезной работы цик- ла. Расчеты проводились при значении темпера- турного коэффициента промежуточного охлаж- дения в компрессоре τк = 1,0. Из рисунка видно, что уменьшение степени регенерации теплоты от заданного значения 0,83 до 0,7 приводит к снижению электрической мощ- ности на 10 %. В то же время увеличение степени регенерации выше 0,83 приводит к значитель- ному росту потребной площади поверхности и массы теплообмена в регенераторе [4, 5]. Таким образом, значение степени регенерации σ = 0,83 является достаточно обоснованным для получе- ния высоких значений КПД. Из рисунка также следует, что электрический КПД ГТУ в среднем на 10% меньше, чем коэффициент полезной ра- боты цикла, поскольку часть полной работы тур- бины используется для привода двухкаскадного компрессора ГТУ. На рис. 5 представлены зависимости элек- трического КПД и КПД полезной работы ГТУ от температурного коэффициента промежуточного охлаждения гелия в компрессоре (σ = 0,83). Из представленных данных следует, что для дости- жения высокого значения КПД цикла (46,3 %) температурный коэффициент промежуточного охлаждения в компрессоре должен соответство- вать значению 1,0. Результаты расчета показывают, что высо- кая эффективность цикла ГТУ может быть до- стигнута только при условии предельно высоких значений КПД всех элементов ГТУ: компрессо- ра, газовой турбины, а также используемого в ее составе высокотемпературного теплообменного оборудования. Выводы 1. В работе выполнено исследование слож- ного термодинамического цикла БПЭ-ГТУ вы- сокотемпературного гелиевого реактора мощ- Рис. 4. Зависимость КПД ГТУ от степени регенерации теплоты в цикле для режима выработки электроэнергии (τк = 1,0). Рис. 5. Зависимость КПД ГТУ от температурного коэффициента промежуточного охлаждения в компрессоре (σ = 0,83). ностью 250 МВт при его работе в режиме выра- ботки электроэнергии и в комбинированном ре- жиме – с выработкой электрической и тепловой энергии для коммунального теплоснабжения. 2. Разработана математическая и компьютер- ная модель сложного цикла ГТУ с регенерацией теплоты и промежуточным охлаждением гелия в компрессоре. Тестирование математической вы- полнено с использованием имеющихся в лите- ратуре данных для МГР-100ГТ электрической мощностью 100 МВт. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №266 АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 3. Выполнены расчёты параметров цикла, показателей мощности и эффективности ГТУ сложного цикла для двух режимов работы – вы- работки электроэнергии и комбинированного режима. Показано, что при работе в режиме вы- работки электроэнергии полезная электрическая мощность установки составила 115,73 МВт с электрическим КПД 46,3 %. В комбинирован- ном режиме мощность составляет 69,66 МВт с электрическим КПД 27,86 %. При этом полезная тепловая мощность установки для использова- ния в коммунальном теплоснабжении составила 182,13 МВт. 4. Определены потребные мощности тепло- обменного оборудования БПЭ-ГТУ высокотем- пературного гелиевого реактора мощностью 250 МВт: в режиме выработки электроэнергии – потребная мощность регенератора составляет 123,7 МВт, предварительного теплообменника – 132,74 МВт, промежуточного теплообменника – 111,18 МВт; в комбинированном режиме – 123,7 МВт, 132,74 МВт и 65,99 МВт соответ- ственно. 5. Показано, что высокое значение КПД ГТУ сложного цикла достигается при степени реге- нерации теплоты в цикле не ниже 0,83, значении температурного коэффициента промежуточного охлаждения в компрессоре τк =1,0 и при условии обеспечения предельно высоких значений КПД всех элементов ГТУ, а также используемого вы- сокотемпературного теплообменного оборудова- ния. ЛИТЕРАТУРА 1. Zgliczynski, J. B., Silady, F. A., Neylan, A. J. The Gas Turbine-Modular Helium Reactor (GT- MHR) High Efficiency, Cost Competitive, Nuclear Energy for the Next Century – GA-A21610. General Atomics. – 1994. 2. LaBar M. P., Shenoy A. S., Simon W. A., Campbell E. M. «Status of the GT-MHR for Electricity Production» World Nuclear Association Annual Symposium 3-5 September 2003 – London, 15 p. 3. Столяревский А.Я., Кодочигов Н.Г., Ва- сяев А.В, Головко В.Ф., Ганин М.Е. Применение высокотемпературных модульных гелиевых ре- акторов для теплоснабжения энергоёмких произ- водств. – «Новости теплоснабжения» № 2, 2011. 4. Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г., Богов И.А. и др. Стационарные газотурбинные установки // Под ред. Л.В. Арсеньева, В.Г. Тырышкина – Л.: Машиностроение, Ленинградское отделениение, 1989. – 543 с. 5. Чичиндаев А.В. Оптимизация компактных пластинчато-ребристых теплообменников. Часть I. Теоретические основы: Учебное пособие. – Но- восибирск: Издательство НГТУ, 2003. – 400 с. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №2 67 АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ANALYSIS OF THERMODYNAMIC CYCLE OF GAS TURBINE PLANT OF NUCLEAR MODULAR POWER INSTALLATION WITH HELIUM REACTOR Khalatov A.A., Severin S.D., Donyk T.V. Institute of Engineering Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, vul. Zhelyabova, 2a, Kyiv, 03680, Ukraine In this paper the perspective modular nuclear power plant of the fourth generation having capacity 250 MW, which consists of two units connected together: a modular high-temperature helium reactor and energy conversion unit – gas turbine plant of the direct cycle. The analysis of the thermodynamic cycle of gas turbine plant (GTP) with the high temperature helium reactor in electric power generation mode and in the combined mode of electricity production and municipal heat supply was given. A mathematical model of a complex cycle of the gas turbine plant (GTP) was developed, testing the model on the basis of the data available in the open press on the helium reactor having the electric power 100 MW was made. Basic studies to calculate the cycle of the GTP with thermal capacity of the reactor 250 MW were conducted. The calculations of the cycle parameters, capacity and efficiency indices of the GTP of complex cycle for two modes of its operation were conducted. It was shown that at the thermal capacity of the reactor 250 MW in operation of the electric power generation mode the useful electric power of the plant is 115.73 MW with the electric efficiency 46.3 %, in the combined mode is 69.66 MW with the electric efficiency 27.86 %. The useful thermal capacity of the plant for the use in the central heating will be 182.13 MW. The analysis of the influence of parameters of the working process of the GTP on the its efficiency indices has shown that high value of the efficiency of the GTP (46.3 %) is achieved at the heat rege- neration degree in the cycle not less than 0.83 and the value of the temperature coefficient of the intermediate cooling in the compressor about τк =1,0 and on condition of providing with extremely high values of the efficiency of all elements of the GTP, and the high temperature heat transfer equipment used as well. References 5, tables 2, fig. 5. Key words: gas cooled nuclear power plant, high temperature helium reactor, gas turbine plant of the complex thermodynamic Braiton cycle, cycle thermodynamics efficiency. 1. Zgliczynski, J.B., Silady, F.A., Neylan, A.J. The Gas Turbine-Modular Helium Reactor (GT- MHR) High Efficiency, Cost Competitive, Nuclear Energy for the Next Century – GA-A21610. General Atomics. – 1994. 2. M.P. LaBar, A.S. Shenoy, W.A. Simon and E.M. Campbell «Status of the GT-MHR for Electricity Production» World Nuclear Association Annual Symposium 3-5 September 2003 – London, 15 p. 3. Stolyarevskiy A.Ya., Kodochigov N.G., Va- syaev A.V, Golovko V.F., Ganin M.E. The use of high-Modular Helium Reactor for heating energy- intensive production. – «Novosti teplosnabzheniya» №2, 2011. 4. Arsenev L.V., Tyiryishkin V.G., Bogov I.A. i dr. Stationary gas turbine plants // Pod red. L.V. Arseneva, V.G. Tyiryishkina – L.: Mashinostroenie, Leningradskoe otdelenienie, 1989. – 543 s. 5. Chichindaev A.V. Optimization of compact plate-fin heat exchangers. Chast I. Teoreticheskie osnovyi: Uchebnoe posobie. – Novosibirsk: Izda- telstvo NGTU, 2003. – 400 p. Получено 15.12.2014 Received 15.12.2014

Анализ термодинамического цикла ГТУ ядерной модульной энергетической установки с гелиевым реактором

Institution

Ähnliche Einträge