CN102606340B - 一种利用乏燃料热量驱动斯特林发动机的发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于核能发电技术领域的一种利用乏燃料热量驱动斯特林发动机的发电系统。该系统通过二回路管道将安全屏障中的一回路与斯特林发动机相连接，通过加热二回路管道中的冷水将热量传送到斯特林发动机中的加热器，加热加热器内的工质，推动斯特林发动机做功，再驱动斯特林发动机尾部的发电机发电。本发明利用乏燃料的热量发电，造价和运行费用低廉，产生的功率稳定，系统可以长期运行，性能可靠，可以有效利用核电站每年卸载大量的乏燃料，具有节能价值。

Description

一种利用乏燃料热量驱动斯特林发动机的发电系统
技术领域
本发明属于核能发电技术领域，具体涉及一种利用乏燃料热量驱动斯特林发动机的发电系统。
背景技术
核电站每年都要卸出相当数量的乏燃料。一座1000MW的压水堆，平均1年大约要卸出含有20吨到30吨铀的乏燃料。预计到2020年我国的核电装机容量可望接近4000万千瓦，每年都将卸下近千吨乏燃料。乏燃料中的放射性核素在衰变过程中显然是释放能量的，这表现在乏燃料会持续的发热。比如冷却了半年的乏燃料，释放热功率大约每吨30千瓦；冷却1年的乏燃料释放热功率约每吨15千瓦。为了充分利用这一资源，目前有三种途径：一种是经后处理提取可利用的钚和铀；一种是正在考虑将压水堆核电站乏燃料重新加工成可在重水堆、先进压水堆以及超临界水堆应用的燃料元件；一种是利用乏燃料余热用于供暖，海水淡化和元素生产。但是还没有考虑过利用乏燃料余热来驱动斯特林发动机发电。
因为乏燃料释热量比新核燃料少，因此可以用来驱动功率比汽轮机小的动力装置，斯特林发动机具有能量适应性广，对能量等级要求低的优点。由于是外燃机，可使用多种燃料，从煤炭、薪柴、余热到太阳能等均可利用。只要将燃烧器适当改进后便可利用许多热源，这是内燃机难以办到的，如国外已用于太阳能发电和带动水泵。所以斯特林发动机是一种不错的选择。用乏燃料驱动斯特林发电，使得大量的乏燃料余热得到有效的利用；相对于太阳能，可全天候使用，具有稳定的功率输出。可见乏燃料驱动斯特林发动机发电系统是一种有广阔的发展应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用乏燃料热量驱动斯特林发动机的发电系统充，分利用余热，节约能源。
一种利用乏燃料热量驱动斯特林发动机的发电系统，安全屏障1内的一回路管道18与二回路管道2相连接，二回路管道2与斯特林发动机4相连接，斯特林发动机4内的传动机构9与发电机8相连，斯特林发动机4内的冷却器6与热能转换器7相连，安全屏障1内放有乏燃料贮存箱13。
所述安全屏障1的结构为：乏燃料贮存箱13的上端通过一回路管道18分别连接换热器17、水泵14，水泵14连接乏燃料贮存箱13的下端；换热器17一端连接二回路水泵10，一端连接二回路管道2；乏燃料贮存箱13内从上到下依次设置分流板16、格栅11、乏燃料棒12，支承座15支撑乏燃料贮存箱13。
所述斯特林发动机4的结构为：二回路水泵10连接加热器3，加热器3依次连接回热器5、冷却器6和传动机构9，传动机构9连接加热器3。
所述斯特林发动机4为单缸β型。
所述分流板16上打有大小不一，对称布置的孔，通过调节分流板16的角度和孔的大小，使得乏燃料棒12得到均匀冷却。
所述斯特林发动机4内做功工质选用氢气。
本发明的有益效果：本发明提供的发电系统，采用的热源是核电站产生的乏燃料，用来驱动斯特林发动机发电。在热源方面，属于废物利用，可以节约能源，减少化石燃料的使用，同时也降低了发电成本。用乏燃料驱动斯特林发动机发电，相比于太阳能驱动，具有更好的稳定性，不受热源强度变化的限制，可以全天候全季使用。相对于生物质驱动斯特林发动机而言，采用水工质对斯特林内的工质进行加热，没有加热器结焦的问题。系统能长期稳定运行，投资低廉，具有较好的市场推广效果。
附图说明
图1为利用核电站乏燃料热量驱动斯特林发动机发电系统的示意图；
图2为装有乏燃料的安全屏障及内部构造示意图；
图中，1-安全屏障、2-二回路管道、3-加热器、4-斯特林发动机、5-回热器、6-冷却器、7-热能转换器、8-发电机、9-传动机构、10-二回路水泵、11-隔栅、12-乏燃料棒、13-乏燃料贮存箱、14-水泵、15-支承座、16-分流板、17-换热器、18-一回路管道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种利用乏燃料热量驱动斯特林发动机的发电系统，如图1和图2所示，安全屏障1内的一回路管道18与二回路管道2相连接，二回路管道2与斯特林发动机4相连接，斯特林发动机4内的传动机构9与发电机8相连，斯特林发动机4内的冷却器6与热能转换器7相连，安全屏障1内放有乏燃料贮存箱13；安全屏障1的结构为：乏燃料贮存箱13的上端通过一回路管道18分别连接换热器17、水泵14，水泵14连接乏燃料贮存箱13的下端；换热器17一端连接二回路水泵10，一端连接二回路管道2；乏燃料贮存箱13内从上到下依次设置分流板16、格栅11、乏燃料棒12，支承座15支撑乏燃料贮存箱13；斯特林发动机4的结构为：二回路水泵10连接加热器3，加热器3依次连接回热器5、冷却器6和传动机构9，传动机构9连接加热器3。
分流板16上打有大小不一，对称布置的孔，通过调节分流板16的角度和孔的大小，使得乏燃料棒12得到均匀冷却；斯特林发动机4内做功工质选用氢气，斯特林发动机的功率可选择较小的功率，采用单缸β型，工质温度比热水温度要低，可以达到90℃，功率在1千瓦到5千瓦之间，这样使热源采用少量的乏燃料就可以满足发电功率的要求，减少了辐射的危害；装有乏燃料的安全屏障1需要单独设计，具有较好的密封性，也可参考使用类似核电站的安全屏障，不过尺寸要比核电站使用的安全屏障小得多。
应用上述发电系统的具体工作流程为：一回路管道18中冷水在水泵14推动下，从入口管流入乏燃料贮存箱13，再经过分流板16均匀分配给各个组件进行冷却，其中组件是由隔栅11进行固定，最后水经过出水口管道流出。出口的水温在120℃到150℃之间，通过换热器17与二回路进行换热。二回路管道2中的水通过换热器17与一回路管道18中120℃到150℃水进行换热，将热量带到斯特林发动机的加热器3中加热工质氢气，氢气膨胀推动传动机构做功，传动机构带动发电机8运转发电。做功后氢气由冷却器6冷却，经过回热器5回到加热器3中循环利用；其中二回路压力为0.1MPa，一回路压力大约是0.15MPa到0.3MPa，二回路设置二回路水泵10，使冷却剂循环利用。

Claims (3)

1.一种利用乏燃料热量驱动斯特林发动机的发电系统，其特征在于，安全屏障(1)内的一回路管道(18)与二回路管道(2)相连接，二回路管道(2)与斯特林发动机(4)相连接，斯特林发动机(4)内的传动机构(9)与发电机(8)相连，斯特林发动机(4)内的冷却器(6)与热能转换器(7)相连，安全屏障(1)内放有乏燃料贮存箱(13)；
所述安全屏障(1)的结构为：乏燃料贮存箱(13)的上端通过一回路管道(18)分别连接换热器(17)、水泵(14)，水泵(14)连接乏燃料贮存箱(13)的下端；换热器(17)一端连接二回路水泵(10)，一端连接二回路管道(2)；乏燃料贮存箱(13)内从上到下依次设置分流板(16)、格栅(11)、乏燃料棒(12)，支承座(15)支撑乏燃料贮存箱(13)；
所述斯特林发动机(4)的结构为：二回路水泵(10)连接加热器(3)，加热器(3)依次连接回热器(5)、冷却器(6)和传动机构(9)，传动机构(9)连接加热器(3)；所述斯特林发动机(4)为单缸β型；
一回路管道(18)中冷水在水泵(14)推动下，从入口管流入乏燃料贮存箱(13)，再经过分流板(16)均匀分配给各个组件进行冷却，其中组件是由隔栅(11)进行固定，最后水经过出水口管道流出；出口的水温在120℃到150℃之间，通过换热器(17)与二回路进行换热；二回路管道(2)中的水通过换热器(17)与一回路管道(18)中120℃到150℃水进行换热，将热量带到斯特林发动机的加热器(3)中加热工质氢气，氢气膨胀推动传动机构做功，传动机构带动发电机(8)运转发电；做功后氢气由冷却器(6)冷却，经过回热器(5)回到加热器(3)中循环利用；其中二回路压力为0.1MPa，一回路压力是0.15MPa到0.3MPa。
2.根据权利要求1所述一种利用乏燃料热量驱动斯特林发动机的发电系统，其特征在于，所述分流板(16)上打有大小不一，对称布置的孔，通过调节分流板(16)的角度和孔的大小，使得乏燃料棒(12)得到均匀冷却。
3.根据权利要求1所述一种利用乏燃料热量驱动斯特林发动机的发电系统，其特征在于，所述斯特林发动机(4)内做功工质选用氢气。
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