CN105509122B - 低温核供热堆城市管网系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温核供热堆城市管网系统，包括包括一回路、二回路和三回路，所述一回路包括第一核供热堆及与第一核供热堆连接的第一换热器，所述二回路包括第一换热器以及与第一换热器连接的第二换热器，所述三回路包括依次连接的第二换热器、第三换热器及城市管网；所述第三换热器通过换热管路连接热泵，该系统能够避免燃煤备份热源带来的污染。
Description
技术领域
本发明涉及核能供热技术领域，特别是一种低温核供热堆城市管网系统。
背景技术
目前，常规的低温供热堆换热系统通常包括一回路、二回路和三回路，从而构成了整个换热网络，一回路用于与堆芯热源直接换热，二回路为一独立的密闭中间循环回路，对一回路和三回路起到隔离作用，并将一回路堆芯的发热量传递给三回路。上述换热系统通常存在如下几个问题：
1、核能供热一般保持基本负荷；在最冷的气候条件下需要有另一个调峰热源，作为补充；法规也规定在整个供热季，供暖系统必须有备份；一旦一个系统出现故障；必须马上就可以启动备份系统；以保障不间断的供热和给出维修系统的时间。因此，一般设计的核供热方案都有一个燃煤调峰、备份锅炉；目前在强调清洁能源的前提下，这个锅炉是不允许存在的。
2、核供热热井面对的是一个庞大、复杂的城市热力管网系统，其热负荷随季节、天气、以及居民的使用量而变化，当负荷频繁变化时，会对直接与堆芯热源换热的一回路产生扰动，产生不稳定因素，带来安全隐患。
3、核供热系统的热能输出可控率低，二回路通常无法对一路回的热能充分利用，大量热量流失。如果通过调整功率来控制热能输出，不仅提高了运营成本，还会会造成系统不稳定，导致事故率上升。
4、核供热系统一旦发生泄漏会导致放射性污水外排，造成核污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温核供热堆城市管网系统，能够避免燃煤备份热源带来的污染。
为了实现上述目的，本发明提供的一种低温核供热堆城市管网系统，包括一回路、二回路和三回路，所述一回路包括第一核供热堆及与第一核供热堆连接的第一换热器，所述二回路包括第一换热器以及与第一换热器连接的第二换热器，所述三回路包括依次连接的第二换热器、第三换热器及城市管网；所述第三换热器通过换热管路连接热泵。
优选地，所述一回路还包括第二核供热堆，所述第二核供热堆与第一换热器连接；或
所述一回路还包括非燃煤型供热源，所述非燃煤型供热源与第一换热器连接。
优选地，所述非燃煤型供热源为工业余热热源和/或地源热源。
优选地，所述二回路中，在第一换热器及第二换热器之间还设置有能量平衡分配器，所述能量平衡分配器包括集热容器，集热容器上连接有供热输出回路，集热容器上还连接有至少一路余热输出回路。
优选地，所述供热输出回路包括与集热容器连接的供热管道和控制阀，以及与供热管道连接的第二换热器，供热管道和/或第二换热器中均设置有温度传感器，所述余热输出回路包括与集热容器连接的余热输出管道和控制阀，以及与余热输出管道连接的第四换热器，余热输出管道和/或第四换热器中设置有温度传感器；供热管道和余热输出管道上设置有水泵。
优选地，所述第四换热器与海水淡化设备的供热系统连接。
优选地，所述第四换热器与污水处理设备的供热系统连接。
优选地，所述供热管道和余热输出管道中设有流量计。
优选地，所述供热输出回路和余热输出回路上均设置有惯性稳压装置。
优选地，所述第一核供热堆和第二核供热堆分别设置于第一核供热堆厂房及第二核供热堆厂房中，第一核供热堆厂房及第二核供热堆厂房之间设置有一个核燃料厂房。
本发明提供的低温核供热堆城市管网系统，包括一回路、二回路和三回路，所述一回路包括第一核供热堆及与第一核供热堆连接的第一换热器，所述二回路包括第一换热器以及与第一换热器连接的第二换热器，所述三回路包括依次连接的第二换热器、第三换热器及城市管网；所述第三换热器通过换热管路连接热泵。当第一核供热堆发生故障时，可以使用热泵和第三换热器作为供热热源输出，热泵利用地源热量进行热能传输，清洁环保，避免采用燃煤热源带来的污染。当第一核供热堆输出热量不足以满足城市管网需要时，也可以采用热泵核第三换热器作为热能补充输入到供热系统中。
附图说明
图1为本发明所提供的低温核供热堆城市管网系统的结构示意图；
图2为能量平衡分配器的放大结构示意图；
图3为低温核供热堆城市管网系统厂房布局的主视示意图；
图4为低温核供热堆城市管网系统厂房布局的俯视示意图；
图中：
1.第一换热器 2.第二换热器 3.第三换热器 4.第一核供热堆 5.热泵 6.第二核供热堆 7.第一核供热堆厂房 8.第二核供热堆厂房 9.核燃料厂房 10.电气厂房 11.核辅助厂房 12.衰减筒 13.集热容器 14.控制阀 15.第四换热器 16.控制阀 17.惯性稳压装置 41.第一供热堆芯 61.第二供热堆芯 18.安全壳钢制穹顶 19.水池
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1-4，本发明提供的一种低温核供热堆城市管网系统，包括一回路、二回路和三回路，所述一回路包括第一核供热堆4及与第一核供热堆4连接的第一换热器1，所述二回路包括第一换热器1以及与第一换热器1连接的第二换热器2，所述三回路包括依次连接的第二换热器2、第三换热器3及城市管网；所述第三换热器3通过换热管路连接热泵5。热泵5可以采用地源热泵。一方面，当第一核供热堆4出现故障时，可以采用热泵作为备份热源，绿色环保，另一方面，当第一换热器1得到的热量不足以支撑供热输出需要时，地源热泵5可以将热量输出给第三换热器3，进而使第一换热器1中的热水进一步升温，例如可以将二回路的出口温度从95℃，提升到130℃；以满足部分现有部分供热管网的参数需要。
地源热泵技术属可再生能源利用技术。由于地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400米深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。地源热泵属经济有效的节能技术。其地源热泵的COP值达到了4以上，也就是说消耗1KWh的能量，用户可得到4KWh以上的热量或冷量。地源热泵环境效益显著。其装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
一回路还包括第二核供热堆6，所述第二核供热堆6与第一换热器1连接；或
所述一回路还包括非燃煤型供热源，用非燃煤型供热源替代上述第二核供热堆6，即所述非燃煤型供热源与第一换热器1连接。非燃煤型供热源可以是工业余热热源和/或地源热源等清洁热源。采用双供热源系统后，对城市管网的热能输出更加稳定，且非燃煤型供热源可以作为备份热源使用，不会对环境造成污染。
当采用双核供热堆时，第一核供热堆4和第二核供热堆6分别设置于第一核供热堆厂房7及第二核供热堆厂房8中，第一核供热堆厂房7及第二核供热堆厂房8之间设置有一个核燃料厂房9。双核供热堆共用一个燃料厂房，可以节约占地面积。在第一核供热堆厂房7、第二核供热堆厂房8和核燃料厂房9的一侧设置有电气厂房10，另一侧设置有核辅助厂房11，这样进一步提高了地面空间利用率。第一核供热堆厂房7及第二核供热堆厂房8的一半置于地表面下方，另一半位于地表面上方，第一核供热堆4和第二核供热堆6的堆芯位于地表面下方的部分。这样，两个堆芯被上方的电气厂房10、核辅助厂房11、核燃料厂房9及上半部分的供热堆厂房层层包围、保护起来，可以防止核泄漏或恐怖袭击。安全壳钢制穹顶18设置在第一核供热堆厂房7和第二核供热堆厂房8的顶部并淹没于水池19中，当反应堆发生失水可以及时将热量换热出大气。
工作时，控制第二回路中管道的水压大于第一回路且小于第三回路，这样，当第一或第二交换器管道开裂，由于第二回路中的水压大于第一回路，使得水只会向第一回路中流动，防止第一回路中的辐射水向第二回路泄漏。
二回路包括一能量平衡分配器，能量平衡分配器用于与一回路的第一换热器1对接，以分配其与第一供热堆芯41(经衰减筒12)和第二供热堆芯61换热得到的热量。所述能量平衡分配器具体包括集热容器13，例如可以采用保温的储能罐。集热容器13的上连接有多条换热回路，其中一条为供热输出回路，用于与三回路的水换热，其余的换热回路为余热输出回路，用于将多余的热能排出。
供热输出回路包括连接在集热容器13上的供热管道及控制阀14，供热管道连接第二换热器2。当供热堆芯产生的热量刚好满足城市供暖需要时，只需要保持供热管道常开，将一回路第一换热器1的热量交换给第二换热器2，然后再进一步换热给三回路的城市管网即可保证正常的城市供暖。第二换热器2和供热管道中均设置有温度传感器和流量计(图中未标出)，温度传感器采集温度、流量计采集流量并上传至控制器，控制器根据温度和流量数据来判定管网的负载状况，通过调节管网中的各变频水泵(图中未标出)来控制二回路的输出，维持热量平衡。供热输出回路数量可以为两道(图中为简略示出一道)，其中一道的第二换热器2数量为三个，另一道的第二换热器2的数量为四个，从而适用于不同城市供热管网的输出情况。
余热输出回路至少为一条，例如本实施例中采用了两道余热输出回路，每道余热输出回路中均包括余热输出管道，余热输出管道与集热容器13直接连接，并通过控制阀16导通和截断。余热输出管道与第四换热器15连接，将热量传递给第四换热器15，第四换热器15可以通过供热管道连接多种不同用途的供热系统，例如可以是海水淡化设备的供热系统或污水处理设备的供热系统。海水淡化设备利用第四换热器15输送的热量将海水蒸发器内的海水蒸发，得到淡水及结晶盐，使得余热得到了充分利用。第四换热器15还可以是通过供热管道连接至污水处理系统的供热系统，如微波污水处理系统等，这样可以起到低温杀菌、催化反应、加快有机废物降解等作用。在余热输出管道与第四换热器15中也设置有温度传感器，在余热输出管道汇总还设置有流量计，向控制器发送采集到的温度及流量信息。当供热输出回路中的温度过高、热量过剩时，控制余热输出回路打开，即可以将余热充分利用到别处，不会造成能源浪费。
所述供热输出回路和余热输出回路上均设置有惯性稳压装置17(例如补水箱、补水罐等)，当管路压力发生波动时，惯性稳压装置17可以通过补水或集水来平衡管道压力，防止扰动产生。惯性稳压装置也可以设置在一回路中以平衡管道压力。
二回路中各个管道选用的离心泵参数如下：形式：单级双吸卧式离心泵扬程：16m；流量：2286m3/h；电动机功率：160kw(轴功率112.5kw)；材料：铸钢；吸入管直径：DN600mm；排出管直径：DN500mm；台数：6台(2台备用)；允许吸上真空度：5.4m。
第一换热器1(即整个供热系统的二次换热器)的作用是使二回路水与三回路水在其内进行热交换，将三回路水自60℃加热到90℃。二回路共选7台板式换热器(5台甲型，2台乙型)。二次换热器参数(括号外为甲型参数，括号内为乙型参数)如下：单板有效传热面积：2.83m2(2.83m2)；单台传热面积：1301.8m2(667.88m2)；单台板片数量：462(238)；板片波纹形式：双人字型(双人字型)；板片间密封材料：橡胶垫；二回路侧/三回路侧流量：1478(753.8)m3/h/1473.9(751.7)m3/h；设计压力：1.6MPa(l.6MPa)；设计温度：150℃(150℃)；板片材料：SS304(SS304)；板片厚度：0.7mm(0.7mm)；台数：5(2)；进、出口接管规格：PN16(PN16),DN400(DN300)；外形尺寸：4700mm x1370mm x3748mm〕(3l40mm x1370mm x3748mm)；单台设备重量：22.9t(18.98t)；二回路侧/三回路侧压降：72.99kPa/72.91kPa(69.85kPa/69.78kPa)。
二回路管道和阀门：二回路各段管道的参数如下：材料：碳钢；集流母管：Φ700x9；泵出/入口接管：Φ500x8/Φ600x9；换热器出、入口接管：Φ400x7；定压水箱连管：Φ50x2.5；二回路主管道的截止阀选用DN400的电动闸阀，DN500闸阀，DN600闸阀；二回路泵出口止回阀选用DN500的蝶阀；二回路选用DN20自动放气阀；二回路阀材料为碳钢。
定位水箱
定位水箱用来维持二回路系统的运行压力。其参数如下：水容积：10m3材料：碳钢；外形尺寸：0.5mx4mx6m。
以上对本发明所提供的低温核供热堆城市管网系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.低温核供热堆城市管网系统，其特征在于，包括一回路、二回路和三回路，所述一回路包括第一核供热堆及与第一核供热堆连接的第一换热器，所述二回路包括第一换热器以及与第一换热器连接的第二换热器，所述三回路包括依次连接的第二换热器、第三换热器及城市管网；所述第三换热器通过换热管路连接热泵；所述二回路中，在第一换热器及第二换热器之间还设置有能量平衡分配器，所述能量平衡分配器包括集热容器，集热容器上连接有供热输出回路，集热容器上还连接有至少一路余热输出回路；
所述供热输出回路包括与集热容器连接的供热管道和控制阀，以及与供热管道连接的第二换热器，供热管道和/或第二换热器中均设置有温度传感器，所述余热输出回路包括与集热容器连接的余热输出管道和控制阀，以及与余热输出管道连接的第四换热器，余热输出管道和/或第四换热器中设置有温度传感器；供热管道和余热输出管道上设置有水泵。
2.根据权利要求1所述的低温核供热堆城市管网系统，其特征在于，所述一回路还包括第二核供热堆，所述第二核供热堆与第一换热器连接；或所述一回路还包括非燃煤型供热源，所述非燃煤型供热源与第一换热器连接。
3.根据权利要求2所述的低温核供热堆城市管网系统，其特征在于，所述非燃煤型供热源为工业余热热源和/或地源热源。
4.根据权利要求1所述的低温核供热堆城市管网系统，其特征在于，所述第四换热器与海水淡化设备的供热系统连接。
5.根据权利要求1所述的低温核供热堆城市管网系统，其特征在于，所述第四换热器与污水处理设备的供热系统连接。
6.根据权利要求1-3任一所述的低温核供热堆城市管网系统，其特征在于，所述供热管道和余热输出管道中设有流量计。
7.根据权利要求1所述的低温核供热堆城市管网系统，其特征在于，所述供热输出回路和余热输出回路上均设置有惯性稳压装置。
8.根据权利要求2所述的低温核供热堆城市管网系统，其特征在于，所述第一核供热堆和第二核供热堆分别设置于第一核供热堆厂房及第二核供热堆厂房中，第一核供热堆厂房及第二核供热堆厂房之间设置有一个核燃料厂房。
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