CN109616229A - 用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统 - Google Patents
用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统 Download PDFInfo
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Abstract
用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统，属于清洁能源高效利用技术领域，本发明为了解决传统热电联供系统热力循环效率较低、不能实现梯级供热，且钠‑水工质传热存在安全隐患的问题。第一回路通过钠‑钠换热器吸收热源的热量，再通过钠‑二氧化碳换热器将热量交换给第二回路，第二回路低温回热器实现简单循环形式和部分冷却循环形式的切换，从而利用热量进行发电或在发电同时实现梯级供热。本发明的用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统采用新型循环工质替代目前试验堆上使用的水‑蒸汽工质，达到或超越原有系统效率，实现可切换核堆热电联供，并且合理利用钠堆特点结合工质运行参数显著提高核堆系统安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种热电联供系统，具体涉及用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统，属于清洁能源高效利用技术领域。
背景技术
新一代核电中钠冷快堆是目前发展较为全面，通过实验验证具备可靠性的重点发展堆型，钠冷快堆常规岛目前主要采用汽-水工质，但由于蒸汽温度较低(约480℃)，导致热力循环效率偏低。此外，钠-水反应会产生强腐蚀性物质氢氧化钠，以及爆炸性气体氢气，为核堆安全造成影响，一旦钠-水换热器的管路发生泄漏，后果不堪设想。另外采用汽-水工质的常规岛汽轮机体积、重量、辅机数量庞大，系统集成设计较为复杂。
目前国内电力需求趋于平稳，但去火电化趋势明显，推动了大型核堆的发展。与此同时，为了更好的利用核能，核堆供热的概念逐渐受到重视。为了提升大型核堆在能源供应中的优势、降低供能成本，需要发展适用于核堆的热电联供循环结构。
发明内容
本发明的目的是提供用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统，以解决传统热电联供系统热力循环效率较低、不能实现梯级供热，且钠-水工质传热存在安全隐患的问题。
用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统包括热源、第一回路、第二回路、梯级供热回路、钠-钠换热器、钠-二氧化碳换热器、主冷却器、间冷却气和供热管网接口；
第一回路通过钠-钠换热器吸收热源的热量，再通过钠-二氧化碳换热器将热量交换给第二回路，第二回路利用热量做功发电，发电后的剩余热量通过主冷却器和间冷却气交换给梯级供热回路，梯级供热回路与供热管网接口连通。
优选的：热源包括钠冷快堆堆芯和内部自循环回路，钠冷快堆堆芯通过内部自循环回路将热量交换给钠-钠换热器，钠-钠换热器再将热量交换给第一回路。
优选的：第二回路包括透平、发电机、低温回热器、高温回热器、主压缩机、高温子压缩机、低温子压缩机、分流器和汇流器；
钠-二氧化碳换热器冷端出口与透平入口相连，透平带动发电机发电，透平出口与高温回热器热端入口相连，高温回热器热端出口与低温回热器热端入口相连，低温回热器热端出口与主冷却器入口相连，主冷却器出口与主压缩机入口相连，主压缩机出口与分流器入口相连，分流器出口A与间冷却器入口相连，分流器出口B与高温子压缩机入口相连，间冷却器出口与低温子压缩机入口相连，低温子压缩机出口与低温回热器冷端入口相连，低温回热器冷端出口与汇流器入口B相连，高温子压缩机出口与汇流器入口A相连，汇流器出口与高温回热器冷端入口相连，高温回热器冷端出口与钠-二氧化碳换热器冷端入口相连。
优选的：主压缩机、高温子压缩机和低温子压缩机分别由主压缩机驱动电机、高温子压缩机驱动电机和低温子压缩机驱动电机驱动。
优选的：供热管网接口回水端与间冷却器冷却工质侧入口相连，间冷却器冷却工质侧出口与主冷却器冷却工质侧入口相连，主冷却器冷却工质侧出口与供热管网接口供热端相连。
本发明与现有产品相比具有以下效果：
1、根据钠冷快堆特点采用超临界二氧化碳工质与之匹配，结合陆上大型核堆热电联供应用背景，设计了简单-部分压缩超临界二氧化碳供能系统，可实现纯发电系统循环效率超过41％；可实现热电联供和梯级供热，循环发电效率33％～36％，提供85℃、0.8MPa热水，其热功率占比热力回路热源功率可调，相比于传统发电供热系统，发电效率和供热效率明显提高；
2、旋转机械分轴布置，即各压缩机单独采用电机驱动，适用于陆上大型核堆，避免高度集成化过程中技术难点，设备及系统可调节性更加；
3、钠-二氧化碳换热器12钠侧压力为常压，即一个大气压，而二氧化碳侧压力约15～25MPa，当钠-二氧化碳在钠-二氧化碳换热器12中实现热量交换过程，钠-二氧化碳换热器12管道泄漏时，钠-二氧化碳换热器12中循环介质二氧化碳可以有效封堵因换热器通道破损导致的二回路钠泄漏，并且，二氧化碳与钠接触反应慢、产物附着于接触面，无加剧事故程度的风险，从而显著提高核堆系统安全性；
4、通过分流器和汇流器旁路将部分冷却循环切换为简单回热循环或无再压缩的部分间冷循环，通过调节两个冷却器外送热量，实现梯级供热；
5、采用新型循环工质替代目前试验堆上使用的水-蒸汽工质，达到或超越原有系统效率，实现可切换核堆热电联供，并且合理利用钠堆特点结合工质运行参数显著提高核堆系统安全性。
附图说明
图1是用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统的结构示意图；
图中：1-钠冷快堆堆芯、11-钠-钠换热器、12-钠-二氧化碳换热器、13-低温回热器、14-高温回热器、15-主冷却器、16-间冷却气、21-透平、22-主压缩机、23-高温子压缩机、24-低温子压缩机、31-发电机、32-主压缩机驱动电机、33-高温子压缩机驱动电机、34-低温子压缩机驱动电机、41-分流器、42-汇流器、51-供热管网接口。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
具体实施方式1，如图1所示，本实施方式的用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统包括热源、第一回路、第二回路、梯级供热回路、钠-钠换热器11、钠-二氧化碳换热器12、主冷却器15、间冷却气16和供热管网接口51；
第一回路通过钠-钠换热器11吸收热源的热量，再通过钠-二氧化碳换热器12将热量交换给第二回路，第二回路利用热量做功发电，发电后的剩余热量通过主冷却器15和间冷却气16交换给梯级供热回路，梯级供热回路与供热管网接口51连通。
进一步：热源包括钠冷快堆堆芯1和内部自循环回路，钠冷快堆堆芯1通过内部自循环回路将热量交换给钠-钠换热器11，钠-钠换热器11再将热量交换给第一回路。
进一步：第二回路包括透平21、发电机31、低温回热器13、高温回热器14、主压缩机22、高温子压缩机23、低温子压缩机24、分流器41和汇流器42；
钠-二氧化碳换热器12冷端出口与透平21入口相连，透平21带动发电机31发电，透平21出口与高温回热器14热端入口相连，高温回热器14热端出口与低温回热器13热端入口相连，低温回热器13热端出口与主冷却器15入口相连，主冷却器15出口与主压缩机22入口相连，主压缩机22出口与分流器41入口相连，分流器41出口A与间冷却器16入口相连，分流器41出口B与高温子压缩机23入口相连，间冷却器16出口与低温子压缩机24入口相连，低温子压缩机24出口与低温回热器13冷端入口相连，低温回热器13冷端出口与汇流器42入口B相连，高温子压缩机23出口与汇流器42入口A相连，汇流器42出口与高温回热器14冷端入口相连，高温回热器14冷端出口与钠-二氧化碳换热器12冷端入口相连。
透平21、主压缩机22、高温子压缩机23、低温子压缩机24、发电机31、主压缩机驱动电机32、高温子压缩机驱动电机33、低温子压缩机驱动电机34、低温回热器13、高温回热器14、主冷却器15、间冷却器16、分流器41、汇流器42构成部分冷却循环透平压缩机分轴结构。
进一步：第二回路通过低温回热器13实现简单循环形式和部分冷却循环形式的切换，从而利用热量进行发电或在发电同时通过主冷却器15和间冷却气16交换给梯级供热回路，梯级供热回路与供热管网接口51连通，实现供热，第二回路循环结构可通过低温回热器13进行切换；当低温回热器13关闭时，第二回路仅输出电能；当低温回热器13开启时，第二回路输出电能同时供热。
进一步：主压缩机22、高温子压缩机23和低温子压缩机24分别由主压缩机驱动电机32、高温子压缩机驱动电机33和低温子压缩机驱动电机34驱动。
进一步：供热管网接口51回水端与间冷却器16冷却工质侧入口相连，间冷却器16冷却工质侧出口与主冷却器15冷却工质侧入口相连，主冷却器15冷却工质侧出口与供热管网接口51供热端相连。
由第二回路及梯级供热回路共同组成梯级供热式热电联供系统，该系统特点是通过设备旁路将部分冷却循环切换为简单回热循环或无再压缩的部分间冷循环，通过调节两个冷却器外送热量，实现梯级供热。
其中钠-二氧化碳换热器12：实现热量从钠二回路输送至常规岛，其中钠二回路从堆芯经过钠-钠换热器11吸收热量，并随钠工质传送给钠-二氧化碳换热器12，保障钠在0.101MPa、320～500℃与二氧化碳在15～25MPa、300～480℃条件下完成充分换热。
本实施方式中钠-二氧化碳换热器12钠侧压力为常压，而二氧化碳侧压力约15～25MPa，可以有效封堵因换热器通道破损导致的二回路钠泄漏。并且，二氧化碳与钠接触反应慢、产物附着于接触面，无加剧事故程度的风险，从而显著提高核堆系统安全性。
微通道换热器作为换热器12：达到端差小于20℃的性能，同时换热器尺寸为管壳式换热器的二十分之一，对工业级二氧化碳的高温(300～480℃)、高压(15MPa～25MPa)条件下具备耐腐蚀、抗压性能，对二回路钠工质0.101MPa、320～500℃条件下耐腐蚀、抗压。
微通道换热器作为低温回热器13和高温回热器14：达到端差小于10℃的性能，同时换热器尺寸为管壳式换热器的二十分之一，对工业级二氧化碳的高压(15MPa～25MPa)条件下具备耐腐蚀、抗压性能。
本实施方式中部分冷却循环启用下，若透平效率达到90％、压缩机效率达到85％，则整体热力系统循环效率可超过41％。
本实施方式中简单循环启用下，可实现热电联供，循环发电效率35％，提供85℃、0.8MPa热水，其热功率占比热力回路热源功率可调，实现梯级供热。
本实施方式中透平21与发电机31、主压缩机22、高温子压缩机23、低温子压缩机24分轴布置，适用于陆上大型核堆，避免高度集成化过程中技术难点，设备及系统可调节性更加。
采用新型循环工质替代目前试验堆上使用的水-蒸汽工质，达到或超越原有系统效率，实现可切换核堆热电联供，并且合理利用钠堆特点结合工质运行参数显著提高核堆系统安全性。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (5)
1.用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统，其特征在于：包括热源、第一回路、第二回路、梯级供热回路、钠-钠换热器(11)、钠-二氧化碳换热器(12)、主冷却器(15)、间冷却气(16)和供热管网接口(51)；
所述第一回路通过钠-钠换热器(11)吸收热源的热量，再通过钠-二氧化碳换热器(12)将热量交换给第二回路，第二回路利用热量做功发电，发电后的剩余热量通过主冷却器(15)和间冷却气(16)交换给梯级供热回路，梯级供热回路与供热管网接口(51)连通。
2.根据权利要求1所述的用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统，其特征在于：所述热源包括钠冷快堆堆芯(1)和内部自循环回路，钠冷快堆堆芯(1)通过内部自循环回路将热量交换给钠-钠换热器(11)，钠-钠换热器(11)再将热量交换给第一回路。
3.根据权利要求1所述的用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统，其特征在于：所述第二回路包括透平(21)、发电机(31)、低温回热器(13)、高温回热器(14)、主压缩机(22)、高温子压缩机(23)、低温子压缩机(24)、分流器(41)和汇流器(42)；
所述钠-二氧化碳换热器(12)冷端出口与透平(21)入口相连，透平(21)带动发电机(31)发电，透平(21)出口与高温回热器(14)热端入口相连，高温回热器(14)热端出口与低温回热器(13)热端入口相连，低温回热器(13)热端出口与主冷却器(15)入口相连，主冷却器(15)出口与主压缩机(22)入口相连，主压缩机(22)出口与分流器(41)入口相连，分流器(41)出口A与间冷却器(16)入口相连，分流器(41)出口B与高温子压缩机(23)入口相连，间冷却器(16)出口与低温子压缩机(24)入口相连，低温子压缩机(24)出口与低温回热器(13)冷端入口相连，低温回热器(13)冷端出口与汇流器(42)入口B相连，高温子压缩机(23)出口与汇流器(42)入口A相连，汇流器(42)出口与高温回热器(14)冷端入口相连，高温回热器(14)冷端出口与钠-二氧化碳换热器(12)冷端入口相连。
4.根据权利要求3所述的用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统，其特征在于：所述主压缩机(22)、高温子压缩机(23)和低温子压缩机(24)分别由主压缩机驱动电机(32)、高温子压缩机驱动电机(33)和低温子压缩机驱动电机(34)驱动。
5.根据权利要求1、2或3所述的用于钠冷快堆的梯级供热超临界二氧化碳循环热电联供系统，其特征在于：所述供热管网接口(51)回水端与间冷却器(16)冷却工质侧入口相连，间冷却器(16)冷却工质侧出口与主冷却器(15)冷却工质侧入口相连，主冷却器(15)冷却工质侧出口与供热管网接口(51)供热端相连。
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