CN109356679B - 一种核能蒸汽-布雷顿联合循环发电系统 - Google Patents

一种核能蒸汽-布雷顿联合循环发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核能蒸汽‑布雷顿联合循环发电系统，包括核反应堆子系统、空气布雷顿循环子系统、燃气子系统和余热蒸汽循环子系统；其能量可由反应堆单独提供或由反应堆和燃气联合提供，其动力循环为由布雷顿顶循环和蒸汽底循环构成的联合循环；燃气子系统可以根据主系统功率需求开启，通过控制阀门并接入空气布雷顿循环，以满足用电高峰时功率增长的需要；空气布雷顿循环中具有排气阀，可以将高温空气直接排向蒸汽底循环，以满足用电低谷时功率降低的需要。蒸汽底循环采用余热蒸汽发生器，可以进一步回收布雷顿循环排气的余热产生蒸汽，从而提高整体系统的能量利用效率。

Description

一种核能蒸汽-布雷顿联合循环发电系统
技术领域
本发明涉及一种核能发电系统，具体地为一种核能与燃气结合的蒸汽-布雷顿联合循环发电系统。
背景技术
布雷顿循环又称燃气轮机循环，使用空气为主要工质，经过升压、燃烧升温、膨胀做功、定压放热完成循环，将高温燃气的热能转化为机械能。随着反应堆技术的发展，相比于传统压水堆，新一代反应堆可以提供更高的堆芯出口温度。例如，传统压水堆的出口温度通常在320摄氏度左右，而新一代反应堆熔盐堆，其设计出口温度一般在650至700摄氏度，又如高温气冷堆，其设计出口温度在750至950摄氏度。高堆芯出口温度使得这些堆型可以采用布雷顿动力循环达到较高的热效率。
随着核电在电网中所占比例越来越大，电网调峰对核电提出了越来越高的要求。然而，由于核反应堆本身的特性，若通过调控反应性控制反应堆功率进行调峰，反应堆堆芯的整体燃耗受到影响大，且功率控制系统十分复杂，因此目前很少有核电站通过这种方式参与调峰。改进核电站运行方式从而参与电网调峰是核电发展需要解决的问题之一。
反应堆在动力循环过程中产生的废热一般排向大气或海洋环境，一方面会造成能量的损失，降低电站整体能量利用效率；另一方面会影响生态环境，不利于大气或海洋的生态平衡。改进核电站的动力循环过程，尽可能降低废热排出，在新一代高温反应堆的设计建造过程中尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于通过结合核能与燃气，采用蒸汽-布雷顿联合循环，提供一种可以实现便捷调峰，同时又能进一步利用循环中原本释放到环境的废热、提高循环效率的核能发电系统。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种核能蒸汽-布雷顿联合循环发电系统，由核反应堆子系统、空气布雷顿循环子系统、燃气子系统和余热蒸汽循环子系统组成；
所述的核反应堆子系统1包括至少一个反应堆堆芯和反应堆压力容器，以及初级空气换热器2和次级空气换热器3；反应堆冷却剂出口1.1分别与初级空气换热器一次侧入口2.1和次级空气换热器一次侧入口3.1相连，冷却剂在空气换热器中释放热量对空气进行加热和再热；初级空气换热器一次侧出口2.2和次级空气换热器一次侧出口3.2与反应堆冷却剂入口1.2相连，经过释热的冷却剂回到反应堆再次被加热，形成循环；
所述的空气布雷顿循环子系统包括布雷顿循环压气机7、高压透平8、低压透平9、初级空气换热器2、次级空气换热器3、排气阀11及发电机组10；布雷顿循环压气机出口7.2与初级空气换热器空气侧入口2.3相连，布雷顿循环过滤空气7.1进入布雷顿循环压气机7，经过加压进入初级空气换热器2，在初级空气换热器2中，高压空气与来自核反应堆子系统出口的高温冷却剂换热获得能量，温度上升；初级空气换热器空气侧出口2.4与高压透平入口8.1相连，高温空气进入高压透平8，经过膨胀推动汽轮机做功；高压透平出口8.2与次级空气换热器空气侧入口3.3相连，经过做功的空气进入次级空气换热器3再热；次级空气换热器空气侧出口3.4与低压透平入口9.1相连，再热空气进入低压透平9膨胀做功；高压透平8和低压透平9与布雷顿循环压气机7之间传动连接，同时与发电机组10传动连接；次级空气换热器空气侧出口3.4同时设置了排气阀11，在功率需要降低时将多余再热空气直接排入余热蒸汽循环子系统；
所述的燃气子系统包括燃气子系统压气机4、燃烧室5以及燃烧室出口与低压透平9之间的控制阀门6；燃气子系统压气机出口4.2与燃烧室入口相连，燃气子系统过滤空气4.1进入燃气子系统压气机4，经过加压进入燃烧室5，同时与进入燃烧室5的燃料5.1混合燃烧，生成高温燃气；燃烧室出口5.2与空气布雷顿循环子系统的低压透平入口9.1通过控制阀门6连接，控制阀门6使燃气灵活接入空气布雷顿循环；
所述的余热蒸汽循环子系统包括余热蒸汽发生器12、蒸汽利用装置13和冷却塔14；余热蒸汽发生器入口12.1接入来自空气布雷顿循环子系统排放的高温气体，包括低压透平出口9.2的低压空气或燃气和次级空气换热器空气侧出口3.4排出的再热空气，这些高温气体将余热蒸汽发生器12管道内的水加热至饱和或过热蒸汽12.4，然后进入冷却塔14排入大气；产生的饱和或过热蒸汽进入蒸汽利用装置13，然后冷凝为单相水回到余热蒸汽发生器内部管道12.3。
根据反应堆堆型的特点，所述核反应堆子系统1还包括一次或二次能量传递装置即中间换热器及次级回路。
根据主系统的设计需要，蒸汽利用装置为发电装置或供热装置。
相比于核能空气布雷顿循环发电系统，本发明带来以下益处：
(1)本发明设置了燃气子系统，通过控制阀门接入空气布雷顿循环的低压透平入口。在用电高峰时，可以启动燃气子系统提高系统功率，同时对反应堆子系统没有直接的影响，避免了直接通过反应性调控的方式参与调峰给反应堆带来的控制问题。
(2)相比于单纯的布雷顿循环，本发明联合了底蒸汽循环，采用余热蒸汽发生器，将布雷顿循环排放的气体进行余热回收，产生蒸汽。蒸汽可供朗肯循环发电装置，或直接利用其热量用于工艺过程、海水淡化、工业制氢等用途。余热回收进一步提高了整体系统的能量利用效率。
(3)本发明在空气布雷顿循环次级换热器空气出口之后加入了排气阀，可以将再热空气直接排入余热蒸汽发生器参与蒸汽循环过程。用电低谷时，此方法可以降低发电系统功率，同样地，不会给反应堆子系统造成直接的影响，避免了通过反应性调控参与调峰。
综上所述，本发明可以实现便捷调峰，同时又能进一步利用循环中原本释放到环境的废热、提高循环效率。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图中：1、反应堆子系统；2、初级空气换热器；3、次级空气换热器；4、燃气子系统压气机；5、燃烧室；6、控制阀门；7、布雷顿循环压气机；8、高压透平；9、低压透平；10、发电机组；11、排气阀；12、余热蒸汽发生器；13、蒸汽利用装置；14、冷却塔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明一种核能蒸汽-布雷顿联合循环发电系统(主系统)包括核反应堆子系统、空气布雷顿循环子系统、燃气子系统和余热蒸汽循环子系统，如图1所示。
其中，核反应堆子系统1包括至少一个反应堆堆芯和反应堆压力容器，以及初级空气换热器2和次级空气换热器3。根据反应堆堆型的特点，可包含一次或二次能量传递装置即中间换热器及次级回路。反应堆冷却剂出口1.1分别与初级空气换热器一次侧入口2.1和次级空气换热器一次侧入口3.1相连，冷却剂在空气换热器中释放热量对空气进行加热和再热。初级空气换热器一次侧出口2.2和次级空气换热器一次侧出口3.23.2与反应堆冷却剂入口1.2相连，经过释热的冷却剂回到反应堆再次被加热，形成循环。该子系统为主系统的主要能量来源。
空气布雷顿循环子系统包括布雷顿循环压气机7、高压透平8、低压透平9、初级空气换热器2、次级空气换热器3、排气阀11及发电机组10。布雷顿循环压气机出口7.2与初级空气换热器空气侧入口2.3相连，布雷顿循环过滤空气7.1进入布雷顿循环压气机7，经过加压进入初级空气换热器2。在初级空气换热器2中，高压空气与来自核反应堆子系统出口的高温冷却剂换热获得能量，温度上升。初级空气换热器空气侧出口2.4与高压透平入口8.1相连，高温空气进入高压透平8，经过膨胀推动汽轮机做功。高压透平出口8.2与次级空气换热器空气侧入口3.3相连，经过做功的空气进入次级空气换热器3再热。次级空气换热器空气侧出口3.4与低压透平入口9.1相连，再热空气进入低压透平9膨胀做功。高压透平8和低压透平9与布雷顿循环压气机7之间传动连接，同时与发电机组10传动连接。次级空气换热器空气侧出口3.4同时设置了排气阀11，在功率需要降低时可以将多余再热空气直接排入余热蒸汽循环子系统。
燃气子系统包括燃气子系统压气机4，燃烧室5以及燃烧室出口与低压透平9之间的控制阀门6。燃气子系统压气机出口4.2与燃烧室入口相连，燃气子系统过滤空气4.1进入燃气子系统压气机4，经过加压进入燃烧室5，同时与进入燃烧室5的燃料5.1混合燃烧，生成高温燃气。燃烧室出口5.2与空气布雷顿循环子系统的低压透平入口9.1通过控制阀门6连接，控制阀门6可以使燃气灵活接入空气布雷顿循环。
余热蒸汽循环子系统包括余热蒸汽发生器12、蒸汽利用装置13和冷却塔14。余热蒸汽发生器入口12.1接入来自空气布雷顿循环子系统排放的高温气体，包括低压透平出口9.2的低压空气或燃气和次级空气换热器空气侧出口3.4排出的再热空气。这些高温气体将余热蒸汽发生器12管道内的水加热至饱和或过热蒸汽12.4，然后进入冷却塔14排入大气。产生的饱和或过热蒸汽进入蒸汽利用装置13，然后冷凝为单相水回到余热蒸汽发生器内部管道12.3。根据主系统的设计需要，蒸汽利用装置可以布置为发电装置、供热装置。
以上所述为本发明的一个具体实例，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉本领域专业的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，可作各种简单修改、等同变化，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种核能蒸汽-布雷顿联合循环发电系统，由核反应堆子系统、空气布雷顿循环子系统、燃气子系统和余热蒸汽循环子系统组成；其特征在于：
所述的核反应堆子系统(1)包括至少一个反应堆堆芯和反应堆压力容器，以及初级空气换热器(2)和次级空气换热器(3)；反应堆冷却剂出口(1.1)分别与初级空气换热器一次侧入口(2.1)和次级空气换热器一次侧入口(3.1)相连，冷却剂在空气换热器中释放热量对空气进行加热和再热；初级空气换热器一次侧出口(2.2)和次级空气换热器一次侧出口(3.2)与反应堆冷却剂入口(1.2)相连，经过释热的冷却剂回到反应堆再次被加热，形成循环；
所述的空气布雷顿循环子系统包括布雷顿循环压气机(7)、高压透平(8)、低压透平(9)、初级空气换热器(2)、次级空气换热器(3)、排气阀(11)及发电机组(10)；布雷顿循环压气机出口(7.2)与初级空气换热器空气侧入口(2.3)相连，布雷顿循环过滤空气(7.1)进入布雷顿循环压气机(7)，经过加压进入初级空气换热器(2)，在初级空气换热器(2)中，高压空气与来自核反应堆子系统出口的高温冷却剂换热获得能量，温度上升；初级空气换热器空气侧出口(2.4)与高压透平入口(8.1)相连，高温空气进入高压透平(8)，经过膨胀推动汽轮机做功；高压透平出口(8.2)与次级空气换热器空气侧入口(3.3)相连，经过做功的空气进入次级空气换热器(3)再热；次级空气换热器空气侧出口(3.4)与低压透平入口(9.1)相连，再热空气进入低压透平(9)膨胀做功；高压透平(8)和低压透平(9)与布雷顿循环压气机(7)之间传动连接，同时与发电机组(10)传动连接；次级空气换热器空气侧出口(3.4)同时设置了排气阀(11)，在功率需要降低时将多余再热空气直接排入余热蒸汽循环子系统；
所述的燃气子系统包括燃气子系统压气机(4)、燃烧室(5)以及燃烧室出口与低压透平(9)之间的控制阀门(6)；燃气子系统压气机出口(4.2)与燃烧室入口相连，燃气子系统过滤空气(4.1)进入燃气子系统压气机(4)，经过加压进入燃烧室(5)，同时与进入燃烧室(5)的燃料(5.1)混合燃烧，生成高温燃气；燃烧室出口(5.2)与空气布雷顿循环子系统的低压透平入口(9.1)通过控制阀门(6)连接，控制阀门(6)使燃气灵活接入空气布雷顿循环；
所述的余热蒸汽循环子系统包括余热蒸汽发生器(12)、蒸汽利用装置(13)和冷却塔(14)；余热蒸汽发生器入口(12.1)接入来自空气布雷顿循环子系统排放的高温气体，包括低压透平出口(9.2)的低压空气或燃气和次级空气换热器空气侧出口(3.4)排出的再热空气，这些高温气体将余热蒸汽发生器(12)管道内的水加热至饱和或过热蒸汽(12.4)，然后进入冷却塔(14)排入大气；产生的饱和或过热蒸汽进入蒸汽利用装置(13)，然后冷凝为单相水回到余热蒸汽发生器内部管道(12.3)。
2.根据权利要求1所述的一种核能蒸汽-布雷顿联合循环发电系统，其特征在于：根据反应堆堆型的特点，所述核反应堆子系统(1)还包括一次或二次能量传递装置即中间换热器及次级回路。
3.根据权利要求1所述的一种核能蒸汽-布雷顿联合循环发电系统，其特征在于：根据主系统的设计需要，蒸汽利用装置为发电装置或供热装置。
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