CN111081402A - 一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统 - Google Patents

一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于聚变反应堆技术领域，具体涉及一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统。热蒸汽发生器、饱和蒸汽发生器、换热器、压力罐、低温流体泵、高温流体泵、汽液分离器和若干开关阀；与普通蒸汽发生器相比，未增加一、二回路接触界面，也未增加一回路设备，一回路相对简单，有效避免了一回路设计复杂化而导致的建设成本增高和安全性降低的问题；该蒸汽发生系统产生的蒸汽与常规裂变核电站蒸汽发生器基本相同，聚变堆电站中，除了蒸汽发生系统外，二回路及其他相应辅助系统均可采用当前成熟的裂变堆二回路设计建造工艺和运行经验。

Description

一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统
技术领域
本发明属于聚变反应堆技术领域，具体涉及一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统。
背景技术
蒸汽发生器是聚变堆核电站的重要设备，用于一回路和二回路的热量交换，主要功能是带出一回路的热量，同时将二回路的高压水加热至饱和蒸汽或者过热蒸汽，流动至汽轮机处推动汽轮机叶轮进行发电。
在未来聚变反应堆核电站有以下特点：
(1)由于受等离子体约束技术的限制，聚变堆产热功率为脉冲式周期运行；
(2)一回路冷却剂在蒸汽发生器处温度为脉冲式，温度时高时低；
未来聚变堆核电站蒸汽发生器面临的问题：
(1)若采用常规核电蒸汽发生器，蒸汽发生器出口的蒸汽将时断时续，无法被汽轮机利用进行发电；
(2)即使未来汽轮机能够利用间断性蒸汽，发电功率也将可能是间断性的，将对电网形成巨大冲击。
为了有效解决聚变能利用问题，需要一种满足聚变堆脉冲运行的特点，能够产生稳定蒸汽的新型蒸汽发生器。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统，其能够产生稳定的蒸汽用于推动页轮机发电。
本发明的技术方案如下：
一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统，该系统包括过热蒸汽发生器SG-01、饱和蒸汽发生器SG-02、换热器HX-01、低温容器TA-01、高温容器TA-02和汽水分离器GS-01；
所述的过热蒸汽发生器SG-01一次侧出口与一回路冷却剂入口相连，过热蒸汽发生器SG-01一次侧入口与一回路出口连接，所述的过热蒸汽发生器SG-01二次侧入口与蒸汽发生系统入口连接；
所述的饱和蒸汽发生器SG-02一次侧出口与压力罐TA-01入口相连，一次侧入口与压力罐TA-02出口连接；二次侧入口与汽水分离器GS-01入口连接；二次侧出口与蒸汽发生系统入口连接；
所述的换热器HX-01入口分别与过热蒸汽发生器SG-01二次侧出口、压力罐TA-01出口连接，所述的换热器HX-01出口分别与汽水分离器入口、压力罐TA-02入口连接；汽水分离器GS-01出口为饱和蒸汽出口和单向水出口；
还包括低温流体泵PB-01、高温流体泵PB-02，以及四个开关阀，开关阀VG-01、开关阀VG-02、开关阀VG-03、开关阀VG-04；
压力罐TA-02出口与饱和蒸汽发生器SG-02一次侧入口之间管路上依次设有开关阀VG-03和高温流体泵PB-02；
压力罐TA-01出口与换热器HX-01二次侧入口之间的管理上依次设有开关阀VG-02和低温流体泵PB-01；
所述的开关阀VG-01设于二回路单相水入口与过热蒸汽发生器SG-01二次侧入口之间的管路上；
所述的开关阀VG-04设于二回路单相水入口与蒸汽发生器SG-02二次侧入口之间的管路上；
所述的开关阀VG-05设于一回路出口与蒸汽发生器SG-01一次侧入口之间的管路上；
聚变反应堆有热功率时，
一回路中，开关阀VG-05为打开状态，开关阀VG-06为关闭状态；
二回路中，开关阀VG-01和VG-02为打开状态，泵PB-01为运转状态，开关阀VG-03和开关阀VG-04为关闭状态，泵PB-02为停止状态。
聚变反应堆无热功率时，
一回路中，开关阀VG-05为关闭状态，开关阀VG-06为打开状态；
二回路中，开关阀VG-01和VG-02为关闭状态，泵PB-01为停止状态，开关阀VG-03和开关阀VG-04为打开状态，泵PB-02为打开状态。
一回路冷却剂采用氦气。
一回路冷却剂采用12MPa高压氦气，氦气冷却剂流量为200kg/s。
二回路流体为90kg/s、226℃、6MPa的高压水。
所述的压力罐为流体罐。
本发明的显著效果如下：
聚变反应堆产热时，一回路冷却剂出口为高温出口，聚变反应堆产热间隙，一回路冷却剂出口为低温出口，通过设计该系统，操作相关开关阀门，使得聚变反应堆运行时，系统在两个状态间相互切换。
一回路冷却剂出口为高温出口，一回路中，开关阀VG-05为打开状态，开关阀VG-06为关闭状态，一回路高温冷却剂通过开关阀VG-05流入蒸汽发生器SG-01一次侧，加热蒸汽发生器SG-01二次侧流体，同时一回路冷却剂被冷却并从蒸汽发生器SG-01一次侧出口以温度流出到一回路冷却剂入口。二回路中，开关阀VG-01和VG-02为打开状态，泵PB-01为运转状态，开关阀VG-03和开关阀VG-04为关闭状态，泵PB-02为停止状态。二回路流体为高压水，通过开关阀VG-01流至蒸汽发生器SG-01入口，与蒸汽发生器SG-01一次侧换热，之后被一次侧流体加热并产生过热蒸汽，过热蒸汽流至换热器HX-01一次侧入口，之后被换热器HX-02二次侧流体冷却，然后以275℃，含气量为50％左右饱和蒸汽，流入汽液分离器GS-01，饱和蒸汽以含气量为100％，通过饱和蒸汽出口流出蒸汽发生系统，饱和液体通过饱和液体出口流程蒸汽发生系统。压力罐TA-01流体通过泵PB-01流动至换热器HX-01二次侧入口，带走部分换热器HX-01一次侧热量，流入压力罐TA-02中。
一回路冷却剂出口为低温出口，一回路中，开关阀VG-05为关闭状态，开关阀VG-06为打开状态，一回路低温冷却剂不经过蒸汽发生器SG-01，而是通过开关阀VG-06直接流至一回路冷却剂入口。二回路中，开关阀VG-01和VG-02为关闭状态，泵PB-01为停止状态，开关阀VG-03和开关阀VG-04为打开状态，泵PB-02为打开状态。二回路流体通过开关阀VG-04流至蒸汽发生器SG-02入口，与蒸汽发生器SG-02二次侧换热，之后被一次侧流体加热并产生饱和蒸汽，然后流入汽液分离器，饱和蒸汽通过饱和蒸汽出口流出蒸汽发生系统，饱和液体通过饱和液体出口流出蒸汽发生系统。压力罐TA-02流体通过泵PB-02流动至蒸汽发生器SG-02一次侧入口，加热蒸汽发生器SG-02二次侧流体，之后，流入至压力罐TA-01中。
(1)针对脉冲式产热聚变堆，该蒸汽发生系统能够产生持续稳定的蒸汽；
(2)所采用设备均为目前市场技术较为成熟设备，无制造难点；
(3)蒸汽发生系统处于二回路，几无放射性污染，设备安全界级别与一回路相比，安全级别较低，设备加工制造要求相对也低，建设成本相对较小；
(4)与普通蒸汽发生器相比，未增加一、二回路接触界面，也未增加一回路设备，一回路相对简单，有效避免了一回路设计复杂化而导致的建设成本增高和安全性降低的问题。
(5)该蒸汽发生系统产生的蒸汽与常规裂变核电站蒸汽发生器基本相同，聚变堆电站中，除了蒸汽发生系统外，二回路及其他相应辅助系统均可采用当前成熟的裂变堆二回路设计建造工艺和运行经验。
附图说明
图1为一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统示意图。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统，包括过热蒸汽发生器SG-01、饱和蒸汽发生器SG-02、换热器HX-01、压力罐TA-01、压力罐TA-02、低温流体泵PB-01、高温流体泵PB-02、汽水分离器GS-01、开关阀VG-01、开关阀VG-02、开关阀VG-03、开关阀VG-04。
其中，蒸汽发生系统入口连接开关阀VG-01，之后与过热蒸汽发生器SG-01二次侧入口相连，过热蒸汽发生器SG-01二次侧出口与换热器HX-01一次侧入口相连，之后流入汽水分离器GS-01。
蒸汽发生系统入口连接开关阀VG-04，之后与蒸汽发生器SG-02二次侧入口相连，饱和蒸汽发生器SG-02二次侧出口连接汽水分离器GS-01；
饱和蒸汽从汽水分离器GS-01顶部流出蒸汽发生系统，饱和液体从汽水分离器GS-01底部流出。
压力罐TA-01出口依次连接开关阀VG-02和泵PB-01，之后与换热器HX-01二次侧入口相连，换热器HX-02二次侧出口与高温容器TA-02入口相连；压力罐TA-02出口依次连接开关阀VG-03和泵PB-02，之后与蒸汽发生器SG-02一次侧入口相连，蒸汽发生器SG-02一次侧出口与低温容器TA-02入口相连，形成闭合回路。
一回路出口连接开关阀VG-05，之后与蒸汽发生器SG-01一次侧入口相连，蒸汽发生器SG-01一次侧出口一回路冷却剂入口相连。
蒸汽发生器SG-01一次侧旁路开关阀VG-06连接一回路冷却剂入口和出口。
聚变核电站中，聚变反应堆为脉冲式运行，即聚变反应堆以周期性在有热功率与无热功率间交替运行(例聚变反应堆一个运行周期为2000s，前1000s有热功率，之后有1000s无热功率)。一回路冷却剂采用12MPa高压氦气，氦气冷却剂流量为200kg/s。二回路采用6MPa高压水作为工质，蒸汽发生系统入口为226℃,流量为90kg/s的单相水。压力罐TA-01和压力罐TA-02中所用工质为0.14MPa液态金属钠；压力罐TA-01和压力罐TA-02容积约850m3，外侧包覆隔热材料；压力罐TA-01储存低温液态金属钠，工作温度为250℃，压力罐TA-02储存高温液态金属钠，工作温度为350℃。当聚变反应堆有热功率时，一回路出口为500℃高温出口，一回路冷却剂入口稳定在300℃。当聚变反应堆无热功率时，一回路出口和一回路入口均为300℃。
当聚变反应堆有热功率时。系统主要步骤如下：
一回路中，开关阀VG-05为打开状态，开关阀VG-06为关闭状态，一回路500℃高温冷却剂以200kg/s质量流量通过开关阀VG-05流入蒸汽发生器SG-01一次侧，加热蒸汽发生器SG-01二次侧流体，同时一回路冷却剂被冷却并从蒸汽发生器SG-01一次侧出口以300℃温度流出到一回路冷却剂入口。
二回路中，开关阀VG-01和VG-02为打开状态，泵PB-01为运转状态，开关阀VG-03和开关阀VG-04为关闭状态，泵PB-02为停止状态。二回路流体以90kg/s,226℃,6MPa的高压水，通过开关阀VG-01流至蒸汽发生器SG-01入口，与蒸汽发生器SG-01一次侧换热，之后被一次侧流体加热并产生450℃过热蒸汽，过热蒸汽流至换热器HX-01一次侧入口，之后被换热器HX-02二次侧流体冷却，然后以275℃，含气量为50％左右饱和蒸汽，流入汽液分离器GS-01，饱和蒸汽以含气量为100％，流量为45kg/s通过饱和蒸汽出口流出蒸汽发生系统，饱和液体以流量为45kg/s通过饱和液体出口流程蒸汽发生系统。压力罐TA-01的低温液态金属钠以250℃的温度、800kg/s的流速通过泵PB-01流动至换热器HX-01二次侧入口，带走部分(105MW)换热器HX-01一次侧热量，之后以350℃流入至压力罐TA-02中。
当聚变反应堆无热功率时，系统主要步骤如下：
一回路中，开关阀VG-05为关闭状态，开关阀VG-06为打开状态，一回路300℃低温冷却剂不经过蒸汽发生器SG-01，而是通过开关阀VG-06直接流至一回路冷却剂入口。
二回路中，开关阀VG-01和VG-02为关闭状态，泵PB-01为停止状态，开关阀VG-03和开关阀VG-04为打开状态，泵PB-02为打开状态。二回路流体以90kg/s,226℃和6MPa的高压水通过开关阀VG-04流至蒸汽发生器SG-02入口，与蒸汽发生器SG-02二次侧换热，之后被一次侧流体加热并产生含气量为50％的饱和蒸汽，然后流入汽液分离器，饱和蒸汽以45kg/s，100％含气量通过饱和蒸汽出口流出蒸汽发生系统，饱和液体以45kg/s通过饱和液体出口流出蒸汽发生系统。压力罐TA-02中的高温液态金属钠以350℃、800kg/s通过泵PB-02流动至蒸汽发生器SG-02一次侧入口，加热蒸汽发生器SG-02二次侧流体，之后，以250℃流入至压力罐TA-01中。

Claims (8)

1.一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统，其特征在于：该系统包括过热蒸汽发生器SG-01、饱和蒸汽发生器SG-02、换热器HX-01、低温容器TA-01、高温容器TA-02和汽水分离器GS-01；
所述的过热蒸汽发生器SG-01一次侧出口与一回路冷却剂入口相连，过热蒸汽发生器SG-01一次侧入口与一回路出口连接，所述的过热蒸汽发生器SG-01二次侧入口与蒸汽发生系统入口连接；
所述的饱和蒸汽发生器SG-02一次侧出口与压力罐TA-01入口相连，一次侧入口与压力罐TA-02出口连接；二次侧入口与汽水分离器GS-01入口连接；二次侧出口与蒸汽发生系统入口连接；
所述的换热器HX-01入口分别与过热蒸汽发生器SG-01二次侧出口、压力罐TA-01出口连接，所述的换热器HX-01出口分别与汽水分离器入口、压力罐TA-02入口连接；汽水分离器GS-01出口为饱和蒸汽出口和单向水出口。
2.如权利要求1所述的一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统，其特征在于：还包括低温流体泵PB-01、高温流体泵PB-02，以及四个开关阀，开关阀VG-01、开关阀VG-02、开关阀VG-03、开关阀VG-04；
压力罐TA-02出口与饱和蒸汽发生器SG-02一次侧入口之间管路上依次设有开关阀VG-03和高温流体泵PB-02；
压力罐TA-01出口与换热器HX-01二次侧入口之间的管理上依次设有开关阀VG-02和低温流体泵PB-01；
所述的开关阀VG-01设于二回路单相水入口与过热蒸汽发生器SG-01二次侧入口之间的管路上；
所述的开关阀VG-04设于二回路单相水入口与蒸汽发生器SG-02二次侧入口之间的管路上；
所述的开关阀VG-05设于一回路出口与蒸汽发生器SG-01一次侧入口之间的管路上。
3.如权利要求2所述的一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统，其特征在于：
聚变反应堆有热功率时，
一回路中，开关阀VG-05为打开状态，开关阀VG-06为关闭状态；
二回路中，开关阀VG-01和VG-02为打开状态，泵PB-01为运转状态，开关阀VG-03和开关阀VG-04为关闭状态，泵PB-02为停止状态。
4.如权利要求2所述的一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统，其特征在于：
聚变反应堆无热功率时，
一回路中，开关阀VG-05为关闭状态，开关阀VG-06为打开状态；
二回路中，开关阀VG-01和VG-02为关闭状态，泵PB-01为停止状态，开关阀VG-03和开关阀VG-04为打开状态，泵PB-02为打开状态。
5.如权利要求1所述的一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统，其特征在于：一回路冷却剂采用氦气。
6.如权利要求5所述的一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统，其特征在于：一回路冷却剂采用12MPa高压氦气，氦气冷却剂流量为200kg/s。
7.如权利要求1所述的一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统，其特征在于：二回路流体为90kg/s、226℃、6MPa的高压水。
8.如权利要求1所述的一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统，其特征在于：所述的压力罐为流体罐。
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