CN111951993A - 铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，包括铅冷快堆及其一回路系统构成的堆舱、可切换式超临界二氧化碳动力循环二回路系统构成的机舱和推进装置；采用铅冷快中子堆为热源，以结合一次再热、中间冷却压缩与分流再压缩流程的超临界二氧化碳动力循环输出船舰推进动力及设备电力，通过闸阀开闭操作实现不同运行需求下内冷模式与部分冷却模式的超临界二氧化碳循环的有效切换，并联合直接推进装置驱动船舰航行。本发明的能量转换效率显著提升，动力装置的紧凑度及船舰有效载荷大幅升高，船舰的低能耗及高性能运行得到满足，为超临界二氧化碳循环在核动力船舰领域的应用提供了新思路。

Description

铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统
技术领域
本发明涉及船舰动力系统，特别是涉及一种铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统。
背景技术
大型船舰动力系统的装备研发与技术升级是海防发展的重中之重，以核反应堆为其提供动力是未来的明确发展方向。目前，大型船舰普遍采用的压水堆结合蒸汽循环的动力装置所存在的热效率较低(约33％)，且其进一步提升受限、设备规模较大。因此，积极发展高效、紧凑的新型动力装置对提升船舰整体性能、引领技术变革具有重大意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，通过闸阀开闭操作实现不同运行环境下超临界二氧化碳动力循环模式的有效切换，精准满足动力系统低能耗与高性能的需求，综合实现船舰动力系统的高效、紧凑化，为超临界二氧化碳循环在核动力船舰领域的应用提供新的思路。
技术方案：本发明的铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，该系统包括铅冷快堆及其一回路系统构成的堆舱、可切换式超临界二氧化碳动力循环二回路系统构成的机舱和推进装置。
该船舰动力系统采用铅冷快中子堆为热源，以结合一次再热、中间冷却压缩与分流再压缩流程的超临界二氧化碳循环输出船舰推进动力及设备电力，通过闸阀开闭操作实现不同运行需求下内冷模式与部分冷却模式的超临界二氧化碳循环的有效切换，联合直接推进装置驱动船舰航行。
铅冷快中子堆作为第四代先进核能系统中的典型核反应堆堆型，兼具优越的固有安全性、可持续性、经济性和防扩散性，且曾成功装备至核潜艇动力系统中；相比于常规动力装置，其具有能量密度高、续航能力强、机动性及隐蔽性优异、运行特性稳定等突出优势，应用于大型船舰极具潜力、前景广阔。
以超临界二氧化碳为工质的闭式动力循环在铅冷快堆冷却剂出口温度范围内，能量转换效率较高、系统结构紧凑、设备规模较小，且安全性高、噪声小、建设周期较短，同时，通过闸阀开闭操作实现多种模式的超临界二氧化碳循环的有效切换，能适应船舰动力装置在不同运行环境下的输出需求，在提高系统机动性的基础上，确保了船舰的低能耗和高性能运行。因此，将超临界二氧化碳循环应用于船舰核动力装置，能促进其高效紧凑化，整体系统效率提升潜力较大，大型船舰的高综合性能运行得到有力保障。
其中，铅冷快堆及其一回路系统所构成的堆舱包括屏蔽壳、铅冷快中子堆、反应堆堆芯、一级中间换热器和二级中间换热器，一级中间换热器和二级中间换热器均设有高温侧和低温侧；由堆芯液态铅冷却剂构成的核反应堆内部自然循环回路吸收堆芯反应产生的热量，一级中间换热器和二级中间换热器的高温侧与堆芯冷却剂通道相连通，形成换热循环回路。超临界二氧化碳动力循环二回路系统与铅冷快堆及其一回路系统通过一级中间换热器和二级中间换热器相耦合。
可切换式超临界二氧化碳动力循环二回路系统构成的机舱包括发电透平入口闸阀、发电透平、发电机、高压透平、低压透平、高温回热器、低温回热器、再压缩机入口闸阀一、预冷器、低压压缩机、冷却器、再压缩机入口闸阀二、高压压缩机和再压缩机，高温回热器和低温回热器均设有高温侧和低温侧；各闸阀全开状态下，一级中间换热器低温侧出口分别与发电透平入口闸阀和高压透平入口相连通，发电透平入口闸阀与发电透平入口相连通，二级中间换热器低温侧入口分别与发电透平出口和高压透平出口相连通，二级中间换热器低温侧出口、低压透平、高温回热器高温侧、低温回热器高温侧沿超临界二氧化碳工质流动方向依次相连通，所述低温回热器高温侧出口分别与预冷器入口和再压缩机入口闸阀一相连通，预冷器出口与低压压缩机入口相连通，低压压缩机出口分别与冷却器入口和再压缩机入口闸阀二相连通，再压缩机入口闸阀一和再压缩机入口闸阀二均与再压缩机入口相连通，冷却器出口、高压压缩机和低温回热器低温侧依次相连通，低温回热器低温侧出口与再压缩机出口通过连接管道汇合后与高温回热器低温侧入口相连通，高温回热器低温侧出口与一级中间换热器低温侧入口相连通，发电透平与发电机相连接。
可切换式超临界二氧化碳动力循环二回路系统的运行模式依据再压缩机入口闸阀一和再压缩机入口闸阀二的开闭状态切换，再压缩机入口闸阀一开启时，低温回热器高温侧出口分别与预冷器和再压缩机入口闸阀一相连通，再压缩机入口闸阀二闭合，低压压缩机仅与冷却器相连通；再压缩机入口闸阀二开启时，低压压缩机出口分别与冷却器和再压缩机入口闸阀二相连通，再压缩机入口闸阀一闭合，低温回热器高温侧出口仅与预冷器相连通。
可切换式超临界二氧化碳动力循环二回路系统内透平运行状态依据发电透平入口闸阀开闭状态切换，发电透平入口闸阀开启时，一级中间换热器低温侧出口分别与发电透平入口闸阀和高压透平相连通；发电透平入口闸阀闭合时，一级中间换热器低温侧出口仅与高压透平相连通。
优选地，推进装置包括双级齿轮减速器和螺旋桨，双级齿轮减速器与高压透平和低压透平通过轴系相连接，螺旋桨与双级齿轮减速器通过轴系相连接。
铅冷快堆内部自然循环回路中，堆芯冷却剂为液态金属铅。超临界二氧化碳动力循环二回路系统中，预冷器及冷却器均采用水冷方式，冷却工质为冷却水。
发明原理：本发明堆舱中铅冷快中子堆内的液态铅堆芯冷却剂经内部自然循环回路吸收堆芯核裂变反应产生的热量后，分别通过浸入式一级中间换热器和浸入式二级中间换热器将一回路内的热量传递至机舱内超临界二氧化碳动力循环二回路系统。浸入式中间换热器的选型考虑了铅冷快堆的自身结构，具有实际应用性；双回路结构的设计机舱内放射性物质的存在，更切合船舰特殊环境的安全性与稳定性需求。
低推进力输出(即低透平输出功)运行状态下，再压缩机入口闸阀二与发电透平入口闸阀开启，再压缩机入口闸阀一关闭；超临界二氧化碳工质经一级中间换热器加热后，分别进入发电透平和高压透平膨胀做功，发电透平带动发电机发电，输出动力系统相关设备所需电能；两透平出口的乏气汇流后进入二级中间换热器一次再热，经再热的工质进入低压透平做功后，依次流入高温回热器高温侧和低温回热器高温侧回收热量，而后进入预冷器和低压压缩机被冷却后压缩至中间压力，并在低压压缩机出口分流成两股，一股进入再压缩机压缩，另一股依次流经冷却器、高压压缩机和低温回热器低温侧，再压缩机出口工质与低温回热器低温侧出口工质在高温回热器低温侧入口汇合后，依次进入高温回热器低温侧和一级中间换热器低温侧加热，形成闭式循环回路。
高推进力输出(即高透平输出功)运行状态下，再压缩机入口闸阀一与发电透平入口闸阀开启，再压缩机入口闸阀二关闭；超临界二氧化碳工质经一级中间换热器加热后，分别进入发电透平和高压透平膨胀做功，发电透平带动发电机发电，输出电能；两透平出口的乏气汇合后，依次进入二级中间换热器低温侧、低压透平、高温回热器高温侧和低温回热器高温侧，低温回热器高温侧出口工质分为两股，一股进入再压缩机压缩，另一股依序经预冷器、低压压缩机、冷却器和高压压缩机两级冷却和压缩，再进入低温回热器低温侧吸收热量后与再压缩机出口工质汇合，其后依次进入高温回热器低温侧和一级中间换热器低温侧加热，形成闭式循环回路。
极高推进力输出(即极高透平输出功)运行状态下，再压缩机入口闸阀一开启，发电透平入口闸阀与再压缩机入口闸阀二关闭；超临界二氧化碳工质经一级中间换热器加热后，直接进入高压透平膨胀做功，做功后的乏气依次进入二级中间换热器低温侧、低压透平、高温回热器高温侧和低温回热器高温侧，低温回热器高温侧的工质分别进入再压缩回路和主压缩回路(预冷器、低压压缩机、冷却器、高压压缩机和低温回热器低温侧回路)，两回路工质在高温回热器低温侧入口汇合后，依次流经高温回热器低温侧和一级中间换热器低温侧吸热，形成闭式循环回路。
以一次再热、中间冷却压缩和分流再压缩模式的超临界二氧化碳动力循环作为二回路系统，在不增设其他设备的前提下，能实现内冷模式与部分冷却模式超临界二氧化碳循环的有效切换，系统循环效率得到显著提升，较大程度地保持了装置结构的紧凑度，满足了动力系统在不同运行工况下的可操纵性机动调节需求。
推进装置内双级齿轮减速器将高速转动的高压透平和低压透平所输出的动力转速降低后，驱动螺旋桨以正常转速推动船舰航行，以直接推进方式驱动船舰能有效保证其航行安全性。
本发明的动力系统的能量转换效率显著提升，动力装置的紧凑度及船舰有效载荷大幅升高，船舰的低能耗及高性能运行得到满足，为超临界二氧化碳循环在核动力船舰领域的应用提供了新思路。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出了一种以铅冷快中子堆为热源，结合一次再热、中间冷却压缩与分流再压缩模式的超临界二氧化碳动力循环的可切换式新型船舰动力系统，相比于现阶段大型船舰通常采用的压水堆结合蒸汽循环的核动力装置，该系统的循环净效率可提升10％～15％，船舰的高性能运行得到有力保障；
(2)本发明的船舰动力系统整体趋于小型化，设备规模较小、系统结构紧凑，基于超临界二氧化碳工质优越的物性与循环无相变的特征，其能量转换设备仅为相应蒸汽设备的1/30左右，精准满足了船舰动力系统体积小、重量轻的要求，船舰有效载荷显著提升、建设成本及周期大幅缩减；
(3)本发明的可切换式船舰动力系统，通过再压缩机入口闸阀和发电透平入口闸阀的开闭操作，实现了船舰在低推进力输出、高推进力输出和极高推进力输出运行需求下的有效切换，达到系统在不同运行条件下的机动性控制，满足动力系统低能耗与高性能的需求；
(4)本发明的推进装置采用直接推进方式，避免了电力推进装置存在的因防护受损导致整船无法运转机动的安全性问题，船舰的安全得到进一步保障，增强了本系统应用于需执行作战任务的特殊船舰的适用性，同时装置尺寸及重量相对较小，进一步提升了动力系统的紧凑性。
附图说明
图1为铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统的结构示意图。
其中，1、屏蔽壳；2、铅冷中子快堆；3、反应堆堆芯；4、一级中间换热器；5、二级中间换热器；6、发电透平；7、高压透平；8、低压透平；9、高温回热器；10、低温回热器；11、再压缩机入口闸阀一；12、预冷器；13、低压压缩机；14、冷却器；15、再压缩机入口闸阀二；16、高压压缩机；17、再压缩机；18、发电透平入口闸阀；19、发电机；20、双级齿轮减速器；21、螺旋桨。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
如图1所示，铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统包括铅冷快堆及其一回路系统构成的堆舱I、超临界二氧化碳动力循环二回路系统构成的机舱II和推进装置III。
铅冷快堆及其一回路系统所构成的堆舱包括屏蔽壳1、铅冷快中子堆2、反应堆堆芯3、一级中间换热器4和二级中间换热器5；一级中间换热器4和二级中间换热器5的高温侧与堆芯冷却剂通道相连通。超临界二氧化碳动力循环二回路系统与铅冷快堆及其一回路系统通过一级中间换热器4和二级中间换热器5相耦合。
可切换式超临界二氧化碳动力循环二回路系统构成的机舱包括发电透平入口闸阀18、发电透平6、发电机19、高压透平7、低压透平8、高温回热器9、低温回热器10、再压缩机入口闸阀一11、预冷器12、低压压缩机13、冷却器14、再压缩机入口闸阀二15、高压压缩机16和再压缩机17；一级中间换热器4低温侧出口分别与发电透平入口闸阀18和高压透平7入口相连通，发电透平入口闸阀18与发电透平6入口相连通，二级中间换热器5低温侧入口分别与发电透平6出口和高压透平7出口相连通，二级中间换热器5低温侧出口、低压透平8、高温回热器9高温侧、低温回热器10高温侧沿超临界二氧化碳工质流动方向依次相连通，低温回热器10高温侧出口分别与预冷器12入口和再压缩机入口闸阀一11相连通，预冷器12出口与低压压缩机13入口相连通，低压压缩机13出口分别与冷却器14入口和再压缩机入口闸阀二15相连通，再压缩机入口闸阀一11和再压缩机入口闸阀二15均与再压缩机17入口相连通，冷却器14出口、高压压缩机16和低温回热器10低温侧依次相连通，低温回热器10低温侧出口与再压缩机17出口通过连接管道汇合后与高温回热器9低温侧入口相连通，高温回热器9低温侧出口与一级中间换热器4低温侧入口相连通，发电透平6与发电机19相连接。
推进装置包括双级齿轮减速器20和螺旋桨21，双级齿轮减速器20与高压透平7和低压透平8通过轴系相连接，螺旋桨21与双级齿轮减速器20通过轴系相连接。
该船舰动力系统中铅冷快中子堆的堆芯冷却剂工质为液态铅。超临界二氧化碳动力循环系统以处于临界点(31.08℃，7.38MPa)以上的二氧化碳为循环工质，预冷器12和冷却器14均采用冷却水冷却。
本发明的铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统基本思路如下：堆舱内的堆芯冷却剂将铅冷快中子堆产生的热量传递至超临界二氧化碳动力循环二回路系统，循环系统将热能转化为电能分别输出至推进装置和动力系统其它设备；推进装置与循环系统的透平通过轴系相连接，驱动船舰航行。详述如下：
铅冷快堆及其一回路系统构成的堆舱中，以以热功率为250MW的铅冷快中子堆2堆芯核裂变反应释放的热量为热源，运行压力为1atm的液态铅堆芯冷却剂经内部自然循环回路吸收堆芯热量后达到580℃，分别流入浸入式一级中间换热器4和浸入式二级中间换热器5将一回路内的热量传递至机舱内超临界二氧化碳动力循环二回路系统。
低推进力输出(即低透平输出功)运行状态下，再压缩机入口闸阀二15与发电透平入口闸阀18开启，再压缩机入口闸阀一11关闭，高压透平入口压力为15～18MPa；超临界二氧化碳工质经一级中间换热器4加热至550℃后，以50％的比例分别进入发电透平6及高压透平7膨胀做功，发电透平6带动发电机19发电，并输出动力系统相关设备所需电能；两透平出口的乏气汇流进入二级中间换热器5再热至550℃后进入低压透平8膨胀，再依次流入高温回热器9高温侧和低温回热器10高温侧回收热量后进入预冷器12冷却至32℃，再进入低压压缩机13被压缩至中间压力，并在低压压缩机13出口按分流比例分成两股，一股进入再压缩机17压缩至循环最高压力，另一股经冷却器14冷却至32℃后，进入高压压缩机16被压缩至循环最高压力，再流入低温回热器10低温侧吸热后与再压缩机17出口工质汇合后，依次进入高温回热器9低温侧和一级中间换热器4低温侧被加热至550℃，形成闭式循环回路。
高推进力输出(即高透平输出功)运行状态下，再压缩机入口闸阀一11与发电透平入口闸阀18开启，再压缩机入口闸阀二15关闭，高压透平入口压力为19～25MPa；一级中间换热器4出口的550℃的超临界二氧化碳工质以50％的比例分别进入发电透平6及高压透平7膨胀做功，发电透平6带动发电机19发电，并输出电能；两透平出口的乏气汇合后由二级中间换热器5加热至550℃后，依次流经低压透平8、高温回热器9高温侧和低温回热器10高温侧，低温回热器10高温侧出口工质按分流比例分为两股，一股进入再压缩机17压缩至循环最高压力，另一股经预冷器14和低压压缩机13冷却压缩至32℃和中间压力后，依次进入冷却器14和高压压缩机16压缩至循环最高压力，再再进入低温回热器10低温侧吸收热量后与再压缩机17出口工质汇合，其后依次进入高温回热器9低温侧和一级中间换热器4低温侧加热至550℃，形成闭式循环回路。
极高推进力输出(即极高透平输出功)运行状态下，再压缩机入口闸阀一11开启，发电透平入口闸阀18与再压缩机入口闸阀二15关闭，高压透平入口压力为19～25MPa；超临界二氧化碳工质经一级中间换热器4加热至550℃，直接进入高压透平7膨胀做功，做功后的乏气依次进入二级中间换热器5低温侧、低压透平7、高温回热器9高温侧和低温回热器10高温侧，低温回热器10高温侧的工质按分流比例分别进入再压缩机17和主压缩回路(预冷器12、低压压缩机13、冷却器14、高压压缩机16和低温回热器10低温侧回路)，两路工质在高温回热器9低温侧入口汇合后，依次流经高温回热器9低温侧和一级中间换热器4低温侧吸热至550℃，形成闭式循环回路。
推进装置中，双级齿轮减速器20将高速转动的高压透平7和低压透平8所输出的动力转速降低后，驱动螺旋桨21以正常转速推动船舰航行。

Claims (10)

1.一种铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，其特征在于：该系统包括铅冷快堆及其一回路系统构成的堆舱、可切换式超临界二氧化碳动力循环二回路系统构成的机舱和推进装置。
2.根据权利要求1所述的铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，其特征在于：该系统采用铅冷快中子堆为热源，结合一次再热、中间冷却压缩与分流再压缩流程的超临界二氧化碳循环提供船舰推进动力及设备电力，以采取直接推进方式的推进装置驱动船舰航行。
3.根据权利要求1所述的铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，其特征在于：所述铅冷快堆及其一回路系统所构成的堆舱包括屏蔽壳(1)、铅冷快中子堆(2)、反应堆堆芯(3)、一级中间换热器(4)和二级中间换热器(5)，一级中间换热器(4)和二级中间换热器(5)均设有高温侧和低温侧；一级中间换热器(4)和二级中间换热器(5)的高温侧与堆芯冷却剂通道相连通。
4.根据权利要求1所述的铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，其特征在于：所述超临界二氧化碳动力循环二回路系统与所述铅冷快堆及其一回路系统通过一级中间换热器(4)和二级中间换热器(5)相耦合。
5.根据权利要求1所述的铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，其特征在于：所述可切换式超临界二氧化碳动力循环二回路系统构成的机舱包括发电透平入口闸阀(18)、发电透平(6)、发电机(19)、高压透平(7)、低压透平(8)、高温回热器(9)、低温回热器(10)、再压缩机入口闸阀一(11)、预冷器(12)、低压压缩机(13)、冷却器(14)、再压缩机入口闸阀二(15)、高压压缩机(16)和再压缩机(17)，所述高温回热器(9)和低温回热器(10)均设有高温侧和低温侧；各闸阀全开状态下，所述一级中间换热器(4)低温侧出口分别与发电透平入口闸阀(18)和高压透平(7)入口相连通，所述发电透平入口闸阀(18)与发电透平(6)入口相连通，所述二级中间换热器(5)低温侧入口分别与发电透平(6)出口和高压透平(7)出口相连通，所述二级中间换热器(5)低温侧出口、低压透平(8)、高温回热器(9)高温侧、低温回热器(10)高温侧沿超临界二氧化碳工质流动方向依次相连通，所述低温回热器(10)高温侧出口分别与预冷器(12)入口和再压缩机入口闸阀一(11)相连通，所述预冷器(12)出口与低压压缩机(13)入口相连通，所述低压压缩机(13)出口分别与冷却器(14)入口和再压缩机入口闸阀二(15)相连通，所述再压缩机入口闸阀一(11)和再压缩机入口闸阀二(15)均与再压缩机(17)入口相连通，所述冷却器(14)出口、高压压缩机(16)和低温回热器(10)低温侧依次相连通，所述低温回热器(10)低温侧出口与再压缩机(17)出口通过连接管道汇合后与高温回热器(9)低温侧入口相连通，所述高温回热器(9)低温侧出口与一级中间换热器(4)低温侧入口相连通，所述发电透平(6)与发电机(19)相连接。
6.根据权利要求5所述的铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，其特征在于：所述可切换式超临界二氧化碳动力循环二回路系统的运行模式依据再压缩机入口闸阀一(11)和再压缩机入口闸阀二(15)的开闭状态切换，所述再压缩机入口闸阀一(11)开启时，低温回热器(10)高温侧出口分别与预冷器(12)和再压缩机入口闸阀一(11)相连通，所述再压缩机入口闸阀二(15)闭合，低压压缩机(13)仅与冷却器(14)相连通；所述再压缩机入口闸阀二(15)开启时，低压压缩机(13)出口分别与冷却器(14)和再压缩机入口闸阀二(15)相连通，所述再压缩机入口闸阀一(11)闭合，低温回热器(10)高温侧出口仅与预冷器(12)相连通。
7.根据权利要求5所述的铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，其特征在于：所述可切换式超临界二氧化碳动力循环二回路系统内透平运行状态依据发电透平入口闸阀(18)开闭状态切换，所述发电透平入口闸阀(18)开启时，一级中间换热器(4)低温侧出口分别与发电透平入口闸阀(18)和高压透平(7)相连通；所述发电透平入口闸阀(18)闭合时，一级中间换热器(4)低温侧出口仅与高压透平(7)相连通。
8.根据权利要求6所述的铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，其特征在于：所述船舰动力系统处于低推进力输出需求状态时，所述再压缩机入口闸阀二(15)开启，二回路系统为结合一次再热、部分冷却和分流再压缩模式的超临界二氧化碳动力循环系统；所述船舰动力系统处于高推进力输出需求状态时，所述再压缩机入口闸阀一(11)开启，二回路系统为结合一次再热、内冷和分流再压缩模式的超临界二氧化碳动力循环系统。
9.根据权利要求7所述的铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，其特征在于：所述船舰动力系统处于极高推进力输出需求状态时，所述发电透平入口闸阀(18)闭合，发电透平(6)和发电机(19)不启用；所述船舰动力系统处于非极高推进力输出需求状态时，所述发电透平入口闸阀(18)开启，发电透平(6)和发电机(19)正常运作。
10.根据权利要求1所述的铅冷快堆超临界二氧化碳循环可切换式船舰动力系统，其特征在于：所述推进装置包括双级齿轮减速器(20)和螺旋桨(21)，所述双级齿轮减速器(20)与高压透平(7)和低压透平(8)通过轴系相连接，所述螺旋桨(21)与双级齿轮减速器(20)通过轴系相连接。
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