CN111963267A - 一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法 - Google Patents

一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111963267A
CN111963267A CN202010849117.2A CN202010849117A CN111963267A CN 111963267 A CN111963267 A CN 111963267A CN 202010849117 A CN202010849117 A CN 202010849117A CN 111963267 A CN111963267 A CN 111963267A
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
low
heat
pressure side
regenerator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010849117.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111963267B (zh
Inventor
汪卫华
刘胜
沈欣媛
杨薇
贺胜男
芦伟
任珍珍
杨锦宏
储德林
宁洪伟
陆野
陈志鹏
桂腾
徐敬坤
章美娟
张数峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui University
Original Assignee
Anhui University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui University filed Critical Anhui University
Priority to CN202010849117.2A priority Critical patent/CN111963267B/zh
Publication of CN111963267A publication Critical patent/CN111963267A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111963267B publication Critical patent/CN111963267B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/003—Arrangements for measuring or testing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F01K17/02—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant for heating purposes, e.g. industrial, domestic
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法。针对聚变堆包层、偏滤器和真空室不同核热源的不同冷却工质条件，采用S‑CO2经低温回热器、中温回热器和高温回热器的三级高压侧逐级回热升温和低压侧逐级回热降温，选择20％的S‑CO2进行冷却后升压升温用于低温加热器的回热和偏滤器、真空室的冷却，既满足了对堆内三类部件不同热源的不同冷却工质运行要求，避免了回热时的负温度效应，又有效地利用了所有堆内部件的热源，极大地提高了热能利用效率，与现行的设计大多仅利用载出包层核热的氦气与二回路压力水换热的朗肯循环系统发电相比，聚变堆的热电效率由30％提高到41％，具有结构简单、成本低、热效率高等显著优点。

Description

一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法
技术领域
本发明属于先进核反应堆热工水力研究领域，具体涉及一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法。
背景技术
聚变能是人类永久解决能源问题的潜在有效途径之一，国际热核聚变实验堆(ITER)和中国聚变工程实验堆(CFETR)等的设计建造与运行，为将来建设聚变发电示范反应堆奠定了基础。聚变堆高温等离子体氘氚热核聚变所产生的辐射热和高能中子(14.1Mev)，进入堆内面向等离子体部件增殖包层、偏滤器和真空室，不但形成第一壁的高热流和在结构内沉积高功率密度核热，而且中子在包层内与氚增殖材料发生核反应释放出巨大能量，因此针对堆内部件服役条件下的高效冷却和在线排出核热用于发电的关键技术，是聚变示范堆的重要研究内容。
由于ITER主要是针对等离子体高约束模式下长脉冲稳态运行物理问题和运行后期开展增殖包层模块(TBM)产氚相关技术演示验证实验，还未涉及堆内核热用于发电问题，但随着聚变能研发的牵引，目前欧盟、中国、日本、美国和韩国等均在设计和研发聚变发电示范堆，有关堆内部件包层、偏滤器和真空室的高效冷却排热和发电等关键技术正处于发展之中。虽然裂变电站大都采用成熟的压力水冷却堆芯与二回路换热形成高温高压水蒸汽驱动透平发电的朗肯循环系统，但聚变堆三种堆内部件包层、偏滤器和真空室产生的核热功率和冷却要求差异较大。其中，依据中子物理性能的要求，包层大多采用8MPa氦气冷却，入口温度大于300℃，载出的核热约占聚变功率的80％以上，现行的设计大多仅利用载出包层核热的氦气与二回路压力水换热的朗肯循环系统发电，热电效率约为30％。由于需要冷却偏滤器第一壁靶板的高热流，选择入口温150℃的5MPa压力水冷却，而真空室需要保温在200℃，采用入口温度190℃的3MPa压力水冷却，形成了不同的热源和不同的冷却工质条件，且偏滤器和真空室形成的核热功率少于20％，现行聚变堆发电方案大多没有利用而排放掉，从而降低了堆热电效率。为了提高聚变堆发电效率，充分利用偏滤器和真空室形成的核热，发展一种综合利用多热源多工质的超临界二氧化碳功率循环系统对聚变能的研发极其关键。基于以上背景技术，针对国家自然科学基金项目(11975022)研究的任务需求，特提出本发明专利申请。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对聚变堆包层、偏滤器、真空室服役的多热源多工质要求，提供一种用于聚变堆的综合利用多热源多工质的超临界二氧化碳功率循环系统及方法，既解决综合利用聚变堆部件的多同热源，有效地提高发电效率问题，又能解决对堆内部件有效冷却的问题。
本发明采用的技术方案为：一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统，由S-CO2回路1、低温回热器2、控制阀3、流量计4、冷却器5、常温压缩机6、中温压缩机7、第一压力水/S-CO2换热器8、偏滤器9、第一水冷回路10、真空室11、第二水冷回路10’、第二压力水/S-CO2换热器8’、中温回热器12、高温回热器13、包层14、氦冷回路15、氦/S-CO2换热器16、透平17和电网18组成，其中：
低温回热器2低压侧出口段经S-CO2回路1通过T形管分为两条支路，一条支路联接于冷却器5入口，控制阀3和流量计4安装于冷却器5入口段，冷却器5出口端联接至常温压缩机6，常温压缩机6出口段通过T形管分别联接于第一压力水/S-CO2换热器8的S-CO2侧入口和低温回热器2的高压侧入口，S-CO2回路1的T形管另一条支路联接于中温压缩机7入口；偏滤器9压力水出口联接于第一水冷回路10，第一水冷回路10出口联接于第一压力水/S-CO2换热器8的压力水入口，第一压力水/S-CO2换热器8压力水出口联接于偏滤器9的压力水入口；第一压力水/S-CO2换热器8的S-CO2出口联接于第二压力水/S-CO2换热器8’的S-CO2入口，第二压力水/S-CO2换热器8’的S-CO2出口段与低温回热器2高压侧出口段经T形管联接至中温回热器12的高压侧入口；真空室11压力水出口联接于第二水冷回路10’，第二水冷回路10’压力水出口联接于第二压力水/S-CO2换热器8’的压力水入口，第二压力水/S-CO2换热器8’压力水出口联接于真空室11压力水入口；中温压缩机7出口段与中温回热器12高压侧出口段通过T形管联接于高温回热器13高压侧入口，高温回热器13高压侧出口段联接于氦/S-CO2换热器16的S-CO2入口，氦/S-CO2换热器16的氦出口段联接于氦冷回路15，氦冷回路15的出口联接于包层14的氦气入口，包层14的氦气出口联接于氦/S-CO2换热器16的氦气入口；氦/S-CO2换热器16的S-CO2出口段联接于透平17的入口端，透平17的出口端联接于高温回热器13低压侧入口，高温回热器13低压侧出口联接于中温回热器12的低压侧入口，中温回热器12的低压侧出口联接于低温回热器2低压侧入口，透平17产生的电输送至电网18。
具体实现步骤如下：
S1：S-CO2由低温回热器2降温后由低压侧流入S-CO2回路1，通过T形管分为两条支路，一条支路流入冷却器5，由控制阀3和流量计4控制和显示质量流率，通过冷却器5进一步降温后流入常温压缩机6，由其升高温度和压力至预定值后通过T形管分别流入低温回热器2高压侧和第一压力水/S-CO2换热器8，低温回热器2内高、低压两侧S-CO2换热，第一压力水/S-CO2换热器8内低温S-CO2与经第一水冷回路10的冷却偏滤器9核热产生的高温水换热；
S2：由第一压力水/S-CO2热器8升温后的S-CO2流入第二压力水/S-CO2换热器8’，在其内S-CO2与经第二水冷回路10’的冷却真空室11核热产生的高温水换热；
S3：低温回热器2高压侧和第二压力水/S-CO2换热器8’升温后的S-CO2经T形管汇合后流入中温回热器12高压侧，在其内高、低压两侧S-CO2换热；
S4：S-CO2回路1经T形管的另一条支路中的S-CO2流入中温压缩机7，由其升高温度和压力至预定值后与中温回热器12高压侧升温后的S-CO2通过T形管汇合后流入高温回热器13，在其内高、低压两侧S-CO2换热；
S5：高温回热器13高压侧S-CO2流入氦/S-CO2换热器16，在其内S-CO2与经氦冷回路15的冷却包层14核热产生的高温氦气换热，氦/S-CO2换热器16流出升至高温的S-CO2进入透平17发电，产生的电力输送至电网18；
S6：通过透平17发电后的S-CO2降温、降压后流入高温回热器13低压侧入口，换热降温后由高温回热器13低压侧出口流入中温回热器12的低压侧入口，再次换热降温后由中温回热器12的低压侧出口流入低温回热器2低压侧入口，第三次换热降温后由低温回热器2低压侧出口输出，形成S-CO2循环。
所述步骤S1中，聚变堆氘氚聚变反应所产生的功率为2GW，包层产生的功率为1760MW，偏滤器产生的功率为200MW，真空室产生的功率为60MW，由低温回热器2低压侧流出的S-CO2降温至85℃(T1)，压力为25MPa，总质量流率为7730kg/s，经T形管分为两条支路，由控制阀3控制其中一条支路的质量流率为1500kg/s，进入冷却器5降温至33℃(T2)后流入常温压缩机6，经压缩机6升温升压至70℃(T3)和30PMa后分为两部分，一部分进入低温回热器2高压侧与低压侧S-CO2换热升温，另一部分进入第一压力水/S-CO2换热器8，在其内低温S-CO2与经第一水冷回路10的冷却偏滤器9核热产生的高温水换热，第一水冷回路10的压力水的进、出口温度分别为150℃和158℃，运行压力为5MPa，可实现对偏滤器的实时冷却。
所述步骤S2中，由第一压力水/S-CO2换热器8升温后的S-CO2流入第二压力水/S-CO2换热器8’，在其内S-CO2与经第二水冷回路10’的冷却真空室11核热产生的高温水换热，第二水冷回路10’的压力水的进、出口温度分别为190℃和200℃，运行压力为3MPa，可实现对真空室的实时冷却。
所述步骤S3中，低温回热器2高压侧和第二压力水/S-CO2换热器8’升温后的S-CO2经T形管汇合后温度为190℃(T4)、质量流率为1500kg/s流入中温回热器12高压侧，在其内高、低压两侧S-CO2换热。
所述步骤S4中，S-CO2回路1经T形管的另一条支路中的S-CO2，温度为85℃，压力为25MPa，质量流率为6230kg/s进入中温压缩机7，由其升高温度和压力至210℃(T5)和30MPa后与中温回热器12升温至210℃的S-CO2通过T形管汇合后流入高温回热器13，在其内高、低压两侧S-CO2换热，高压侧出口温度升至305℃(T6)，低压侧出口温度降至220℃(T9)；
所述步骤S5中，高温回热器13高压侧S-CO2流入氦/S-CO2换热器16，在其内S-CO2与经氦冷回路15的冷却包层14核热产生的高温氦气换热，氦冷回路15的氦气进、出口温度分别为310℃和500℃，运行压力为8MPa，可实现对包层的实时冷却，氦/S-CO2换热器16流出的S-CO2升至高490℃(T7)进入透平17发电；
所述步骤S6中，通过透平17发电后的S-CO2降温、降压为330℃(T8)和26MPa后流入高温回热器13低压侧入口，换热降温至220℃(T9)后由高温回热器13低压侧出口流入中温回热器12的低压侧入口，再次换热降温至190℃(T10)由中温回热器12的低压侧出口流入低温回热器2低压侧入口，第三次换热降温至85℃(T1)由低温回热器2低压侧出口输出，形成S-CO2循环。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)该发明针对聚变堆包层、偏滤器和真空室不同的热源和不同的冷却工质条件，采用S-CO2经低温回热器、中温回热器和高温回热器的三级高压侧逐级回热升温和低压侧逐级回热降温，既满足了对堆内三类部件不同热源的不同冷却工质运行要求，避免了回热时的负温度效应，又有效地利用了所有堆内部件的热源，极大地提高了热能利用效率，与现行的设计大多仅利用载出包层核热的氦气与二回路压力水换热的朗肯循环系统发电相比，聚变堆的热电效率由30％提高到41％。
(2)由于仅需要20％的S-CO2进行冷却后升压升温用于低温加热器的回热和偏滤器、真空室的冷却，从而避免采用全部S-CO2进行冷却时需要的设备和能源，因此具有结构简单、成本低、热效率高等显著优点，可有效解决聚变堆堆内不同部件不同冷却条件下热源高效利用的难题。
附图说明
图1为本发明中采用的一种用于聚变堆的综合利用多热源多工质的超临界二氧化碳功率循环系统及方法原理图；
图2为本发明中采用的聚变堆的综合利用多热源多工质的超临界二氧化碳功率循环系统T-S图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的具体实施方式，以详细说明本发明的技术方案。
本发明具体实施方式是采用图1所示的一种用于聚变堆的综合利用多热源多工质的超临界二氧化碳功率循环系统及方法原理图，图2为本发明中采用的聚变堆的综合利用多热淅多工质的超临界二氧化碳功率循环系统T-S图。
如图1所示，本发明采用的一种用于聚变堆的综合利用多热源多工质的超临界二氧化碳功率循环系统及方法由S-CO2回路1、低温回热器2、控制阀3、流量计4、冷却器5、常温压缩机6、中温压缩机7、第一压力水/S-CO2换热器8、偏滤器9、第一水冷回路10、真空室11、第二水冷回路10’、第二压力水/S-CO2换热器8’、中温回热器12、高温回热器13、包层14、氦冷回路15、氦/S-CO2换热器16、透平17和电网18组成。
低温回热器2低压侧出口段经S-CO2回路1通过T形管分为两条支路，一条支路联接于冷却器5入口，控制阀3和流量计4安装于冷却器5入口段，冷却器5出口端联接至常温压缩机6，常温压缩机6出口段通过T形管分别联接于第一压力水/S-CO2换热器8的S-CO2侧入口和低温回热器2的高压侧入口，S-CO2回路1T形管的另一条支路联接于中温压缩机7入口；偏滤器9压力水出口联接于第一水冷回路10，第一水冷回路10出口联接于第一压力水/S-CO2换热器8的压力水入口，第一压力水/S-CO2换热器8压力水出口联接于偏滤器9的压力水入口；第一压力水/S-CO2换热器8的S-CO2出口联接于第二压力水/S-CO2换热器8’的S-CO2入口，第二压力水/S-CO2换热器8’的S-CO2出口段与低温回热器2高压侧出口段经T形管联接至中温回热器12的高压侧入口；真空室11压力水出口联接于第二水冷回路10’，第二水冷回路10’压力水出口联接于第二压力水/S-CO2换热器8’的压力水入口，第二压力水/S-CO2换热器8’压力水出口联接于真空室11压力水入口；中温压缩机7出口段与中温回热器12高压侧出口段通过T形管联接于高温回热器13高压侧入口，高温回热器13高压侧出口段联接于氦/S-CO2换热器16的S-CO2入口，氦/S-CO2换热器16的氦出口段联接于氦冷回路15，氦冷回路15的出口联接于包层14的氦气入口，包层14的氦气出口联接于氦/S-CO2换热器16的氦气入口；氦/S-CO2换热器16的S-CO2出口段联接于透平17的入口端，透平17的出口端联接于高温回热器13低压侧入口，高温回热器13低压侧出口联接于中温回热器12的低压侧入口，中温回热器12的低压侧出口联接于低温回热器2低压侧入口，透平17产生的电输送至电网18。
具体实现步骤如下：
S1：S-CO2由低温回热器2降温后由低压侧流入S-CO2回路1，通过T形管分为两条支路，一条支路流入冷却器5，由控制阀3和流量计4控制和显示质量流率，通过冷却器5进一步降温后流入常温压缩机6，由其升高温度和压力至预定值后通过T形管分别流入低温回热器2高压侧和第一压力水/S-CO2换热器8，低温回热器2内高、低压两侧S-CO2换热，第一压力水/S-CO2换热器8内低温S-CO2与经第一水冷回路10的冷却偏滤器9核热产生的高温水换热；
S2：由第一压力水/S-CO2热器8升温后的S-CO2流入第二压力水/S-CO2换热器8’，在其内S-CO2与经第二水冷回路10’的冷却真空室11核热产生的高温水换热；
S3：低温回热器2和第二压力水/S-CO2换热器8’升温后的S-CO2经T形管汇合后流入中温回热器12高压侧，在其内高、低压两侧S-CO2换热；
S4：S-CO2回路1经T形管的另一条支路中的S-CO2流入中温压缩机7，由其升高温度和压力至预定值后与中温回热器12升温后的S-CO2通过T形管汇合后流入高温回热器13，在其内高、低压两侧S-CO2换热；
S5：高温回热器13高压侧S-CO2流入氦/S-CO2换热器16，在其内S-CO2与经氦冷回路15的冷却包层14核热产生的高温氦气换热，氦/S-CO2换热器16流出升至高温的S-CO2进入透平17发电，产生的电力输送至电网18；
S6：通过透平17发电后的S-CO2降温、降压后流入高温回热器13低压侧入口，换热降温后由高温回热器13低压侧出口流入中温回热器12的低压侧入口，再次换热降温后由中温回热器12的低压侧出口流入低温回热器2低压侧入口，第三次换热降温后由低温回热器2低压侧出口输出，形成S-CO2循环。
参见图1和图2，所述步骤S1中，聚变堆氘氚聚变反应所产生的功率为2GW，包层产生的功率为1760MW，偏滤器产生的功率为200MW，真空室产生的功率为60MW，由低温回热器2低压侧流出的S-CO2降温至85℃(T1)，压力为25MPa，总质量流率为7730kg/s，经T形管分为两条支路，由控制阀3控制其中一条支路的质量流率为1500kg/s，进入冷却器5降温至33℃(T2)后流入常温压缩机6，经压缩机6升温升压至70℃(T3)和30PMa后分为两部分，一部分进入低温回热器2高压侧与低压侧S-CO2换热升温，另一部分进入第一压力水/S-CO2换热器8，在其内低温S-CO2与经第一水冷回路10的冷却偏滤器9核热产生的高温水换热，第一水冷回路10的压力水的进、出口温度分别为150℃和158℃，运行压力为5MPa，可实现对偏滤器的实时冷却。
所述步骤S2中，由第一压力水/S-CO2换热器8升温后的S-CO2流入第二压力水/S-CO2换热器8’，在其内S-CO2与经第二水冷回路10’的冷却真空室11核热产生的高温水换热，第二水冷回路10’的压力水的进、出口温度分别为190℃和200℃，运行压力为3MPa，可实现对真空室的实时冷却。
所述步骤S3中，低温回热器2和第二压力水/S-CO2换热器8’升温后的S-CO2经T形管汇合后温度为190℃(T4)、质量流率为1500kg/s流入中温回热器12高压侧，在其内高、低压两侧S-CO2换热。
所述步骤S4中，S-CO2回路1经T形管的另一条支路中的S-CO2，温度为85℃，压力为25MPa，质量流率为6230kg/s进入中温压缩机7，由其升高温度和压力至210℃(T5)和30MPa后与中温回热器12升温至210℃的S-CO2通过T形管汇合后流入高温回热器13，在其内高、低压两侧S-CO2换热，高压侧出口温度升至305℃(T6)，低压侧出口温度降至220℃(T9)；
所述步骤S5中，高温回热器13高压侧S-CO2流入氦/S-CO2换热器16，在其内S-CO2与经氦冷回路15的冷却包层14核热产生的高温氦气换热，氦冷回路15的氦气进、出口温度分别为310℃和500℃，运行压力为8MPa，可实现对包层的实时冷却，氦/S-CO2换热器16流出的S-CO2升至高490℃(T7)进入透平17发电；
所述步骤S6中，通过透平17发电后的S-CO2降温、降压为330℃(T8)和26MPa后流入高温回热器13低压侧入口，换热降温至220℃(T9)后由高温回热器13低压侧出口流入中温回热器12的低压侧入口，再次换热降温至190℃(T10)由中温回热器12的低压侧出口流入低温回热器2低压侧入口，第三次换热降温至85℃(T1)由低温回热器2低压侧出口输出，形成S-CO2循环。
以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统，其特征在于，包括超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide，以下简称S-CO2)回路(1)、低温回热器(2)、控制阀(3)、流量计(4)、冷却器(5)、常温压缩机(6)、中温压缩机(7)、第一压力水/S-CO2换热器(8)、偏滤器(9)、第一水冷回路(10)、真空室(11)、第二水冷回路(10’)、第二压力水/S-CO2换热器(8’)、中温回热器(12)、高温回热器(13)、包层(14)、氦冷回路(15)、氦/S-CO2换热器(16)、透平(17)和电网(18)；其中，低温回热器(2)低压侧出口段经S-CO2回路(1)通过T形管分为两条支路，一条支路联接于冷却器(5)入口，控制阀(3)和流量计(4)安装于冷却器(5)入口段，冷却器(5)出口端联接至常温压缩机(6)，常温压缩机(6)出口段通过T形管分别联接于第一压力水/S-CO2换热器(8)的S-CO2侧入口和低温回热器(2)的高压侧入口，S-CO2回路(1)T形管的另一条支路联接于中温压缩机(7)入口；偏滤器(9)压力水出口联接于第一水冷回路(10)，第一水冷回路(10)出口联接于第一压力水/S-CO2换热器(8)的压力水入口，第一压力水/S-CO2换热器(8)压力水出口联接于偏滤器(9)的压力水入口；第一压力水/S-CO2换热器(8)的S-CO2高压侧出口联接于第二压力水/S-CO2换热器(8’)的S-CO2高压侧入口，第二压力水/S-CO2换热器(8’)的S-CO2高压侧出口段与低温回热器(2)高压侧出口段经T形管联接至中温回热器(12)的高压侧入口；真空室(11)压力水出口联接于第二水冷回路(10’)，第二水冷回路(10’)压力水出口联接于第二压力水/S-CO2换热器(8’)的压力水入口，第二压力水/S-CO2换热器(8’)压力水出口联接于真空室(11)压力水入口；中温压缩机(7)出口段与中温回热器(12)高压侧出口段通过T形管联接于高温回热器(13)高压侧入口，高温回热器(13)高压侧出口段联接于氦/S-CO2换热器(16)的S-CO2入口，氦/S-CO2换热器(16)的氦出口联接于氦冷回路(15)，氦冷回路(15)的出口联接于包层(14)的氦气入口，包层(14)的氦气出口联接于氦/S-CO2换热器(16)的氦气入口，氦/S-CO2换热器(16)的S-CO2出口段联接于透平(17)的入口端，透平(17)的出口端联接于高温回热器(13)低压侧入口，高温回热器(13)低压侧出口联接于中温回热器(12)的低压侧入口，中温回热器(12)的低压侧出口联接于低温回热器(2)低压侧入口，透平(17)产生的电输送至电网(18)。
2.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统，其特征在于：所述低温回热器(2)低压侧流出的S-CO2通过T形管分为两条支路，一条支路流入冷却器(5)，冷却至33℃以满足常温压缩机(6)的要求，升温升压后用于低温回热器(2)高压侧换热和冷却偏滤器(9)和真空室(11)的核热，其质量流率仅占总质量流率的20％，从而大大降低了冷却全部S-CO2工质所耗费的能量和对冷却设备的高需求，极大地提高了系统热效率。
3.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统，其特征在于：所述低温回热器(2)低压侧S-CO2的温度应高于高压侧，以免形成两侧负温差效应，即当高压侧温度大于低压侧时，由于传热方向相反损失能量而降低热效率，且两侧温差不宜过大，以免给回热壁面造成过高的热应力，经低温回热器(2)换热后，低压侧S-CO2降温而高压侧S-CO2升温，提高了热循环利用效率。
4.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统，其特征在于：所述中温回热器(12)低压侧S-CO2进一步加热了由偏滤器(9)和真空室(11)升温后的高压侧S-CO2，且两侧温差满足非负温差和尽量低的热梯度要求，避免了回热壁面过高的热应力，经中温回热器(12)换热后，低压侧S-CO2降温而高压侧S-CO2升温，提高了热循环利用效率。
5.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统，其特征在于：经中温压缩机(7)升温升压的S-CO2与中温回热器(12)高压侧汇合，在高温回热器(13)内换热，低压侧S-CO2降温而高压侧S-CO2进一步升温，使流入包层(14)的冷却剂S-CO2入口温度大于300℃，且两侧温差满足非负温差和尽量低的热梯度要求，避免了回热壁面过高的热应力，极大地提高了热循环利用效率。
6.一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：S-CO2由低温回热器(2)降温后由低压侧流入S-CO2回路(1)，通过T形管分为两条支路，一条支路流入冷却器(5)，由控制阀(3)和流量计(4)控制和显示质量流率，通过冷却器(5)进一步降温后流入常温压缩机(6)，由其升高温度和压力至预定值后通过T形管分别流入低温回热器(2)高压侧和第一压力水/S-CO2换热器(8)，低温回热器(2)内高、低压两侧S-CO2换热，第一压力水/S-CO2换热器(8)内低温S-CO2与经第一水冷回路(10)的冷却偏滤器(9)核热产生的高温压力水换热；
步骤S2：由第一压力水/S-CO2换热器(8)升温后的S-CO2流入第二压力水/S-CO2换热器(8’)，在其内S-CO2与经第二水冷回路(10’)的冷却真空室(11)核热产生的高温压力水换热；
步骤S3：低温回热器(2)和第二压力水/S-CO2换热器(8’)升温后的S-CO2经T形管汇合后流入中温回热器(12)高压侧，在其内高、低压两侧S-CO2换热；
步骤S4：S-CO2回路(1)T形管的另一条支路中的S-CO2流入中温压缩机(7)，由其升高温度和压力至预定值后与中温回热器(12)升温后的S-CO2通过T形管汇合后流入高温回热器(13)，在其内高、低压两侧S-CO2换热；
步骤S5：高温回热器(13)高压侧S-CO2流入氦/S-CO2换热器(16)，在其内S-CO2与经氦冷回路(15)的冷却包层(14)核热产生的高温氦气换热，氦/S-CO2换热器(16)流出升至高温的S-CO2进入透平(17)发电，产生的电力输送至电网(18)；
步骤S6：通过透平(17)发电后的S-CO2降温、降压后流入高温回热器(13)低压侧入口，换热降温后由高温回热器(13)低压侧出口流入中温回热器(12)的低压侧入口，再次换热降温后由中温回热器(12)的低压侧出口流入低温回热器(2)低压侧入口，第三次换热降温后由低温回热器(2)低压侧出口输出，形成S-CO2循环。
CN202010849117.2A 2020-08-21 2020-08-21 一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法 Active CN111963267B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010849117.2A CN111963267B (zh) 2020-08-21 2020-08-21 一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010849117.2A CN111963267B (zh) 2020-08-21 2020-08-21 一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111963267A true CN111963267A (zh) 2020-11-20
CN111963267B CN111963267B (zh) 2022-09-27

Family

ID=73390594

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010849117.2A Active CN111963267B (zh) 2020-08-21 2020-08-21 一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111963267B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112967827A (zh) * 2021-02-03 2021-06-15 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 一种用于聚变堆的熔盐储能耦合发电系统及发电方法
CN112967826A (zh) * 2021-02-03 2021-06-15 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统及发电方法
CN113012837A (zh) * 2021-02-03 2021-06-22 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 一种用于聚变堆的熔盐储能解耦发电系统及发电方法
CN113053544A (zh) * 2021-02-03 2021-06-29 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 一种用于聚变堆的油储能耦合发电系统及发电方法
CN115235134A (zh) * 2022-09-22 2022-10-25 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于聚变堆的超临界二氧化碳循环系统

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1169263A (en) * 1966-04-18 1969-11-05 American Mach & Foundry Distillation and power generating method and apparatus
JP2003269113A (ja) * 2002-03-15 2003-09-25 Toshiba Corp 複合エネルギーシステム
US20100303193A1 (en) * 2009-06-01 2010-12-02 Advanced Reactor Concepts LLC Particulate metal fuels used in power generation, recycling systems, and small modular reactors
CN105756733A (zh) * 2016-03-10 2016-07-13 石家庄新华能源环保科技股份有限公司 一种以二氧化碳为载体的能源供应方法和系统
CN106677849A (zh) * 2016-12-29 2017-05-17 中科瑞华原子能源技术有限公司 采用超临界co2工质液态重金属冷却反应堆发电装置
CN107327325A (zh) * 2017-08-03 2017-11-07 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司 一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统
CN107420878A (zh) * 2017-03-28 2017-12-01 中国核电工程有限公司 一种利用核能进行汽、热、电联供的系统
CN209525931U (zh) * 2018-12-25 2019-10-22 核工业西南物理研究院 一种用于氚增殖剂实验包层模块的冷却系统
CN110660497A (zh) * 2019-08-22 2020-01-07 北京精密机电控制设备研究所 一种利用月球原位能量发电的电源系统
CN110739086A (zh) * 2019-10-22 2020-01-31 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于托卡马克聚变装置冷却发电系统的辅助回路
CN111261232A (zh) * 2020-01-14 2020-06-09 西安热工研究院有限公司 反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法
CN111456820A (zh) * 2020-04-29 2020-07-28 武汉第二船舶设计研究所(中国船舶重工集团公司第七一九研究所) 超临界二氧化碳循环系统

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1169263A (en) * 1966-04-18 1969-11-05 American Mach & Foundry Distillation and power generating method and apparatus
JP2003269113A (ja) * 2002-03-15 2003-09-25 Toshiba Corp 複合エネルギーシステム
US20100303193A1 (en) * 2009-06-01 2010-12-02 Advanced Reactor Concepts LLC Particulate metal fuels used in power generation, recycling systems, and small modular reactors
CN105756733A (zh) * 2016-03-10 2016-07-13 石家庄新华能源环保科技股份有限公司 一种以二氧化碳为载体的能源供应方法和系统
CN106677849A (zh) * 2016-12-29 2017-05-17 中科瑞华原子能源技术有限公司 采用超临界co2工质液态重金属冷却反应堆发电装置
CN107420878A (zh) * 2017-03-28 2017-12-01 中国核电工程有限公司 一种利用核能进行汽、热、电联供的系统
CN107327325A (zh) * 2017-08-03 2017-11-07 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司 一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统
CN209525931U (zh) * 2018-12-25 2019-10-22 核工业西南物理研究院 一种用于氚增殖剂实验包层模块的冷却系统
CN110660497A (zh) * 2019-08-22 2020-01-07 北京精密机电控制设备研究所 一种利用月球原位能量发电的电源系统
CN110739086A (zh) * 2019-10-22 2020-01-31 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于托卡马克聚变装置冷却发电系统的辅助回路
CN111261232A (zh) * 2020-01-14 2020-06-09 西安热工研究院有限公司 反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法
CN111456820A (zh) * 2020-04-29 2020-07-28 武汉第二船舶设计研究所(中国船舶重工集团公司第七一九研究所) 超临界二氧化碳循环系统

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112967827A (zh) * 2021-02-03 2021-06-15 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 一种用于聚变堆的熔盐储能耦合发电系统及发电方法
CN112967826A (zh) * 2021-02-03 2021-06-15 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统及发电方法
CN113012837A (zh) * 2021-02-03 2021-06-22 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 一种用于聚变堆的熔盐储能解耦发电系统及发电方法
CN113053544A (zh) * 2021-02-03 2021-06-29 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 一种用于聚变堆的油储能耦合发电系统及发电方法
CN112967827B (zh) * 2021-02-03 2022-07-15 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 一种用于聚变堆的熔盐储能耦合发电系统及发电方法
CN115235134A (zh) * 2022-09-22 2022-10-25 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于聚变堆的超临界二氧化碳循环系统
CN115235134B (zh) * 2022-09-22 2022-12-20 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于聚变堆的超临界二氧化碳循环系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN111963267B (zh) 2022-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111963267B (zh) 一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法
CN105118536A (zh) 一种可调式充放型高温高压氦气实验系统及方法
CN109826685B (zh) 一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统及方法
CN112901297A (zh) 一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统及方法
CN214741519U (zh) 一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统
CN113175698B (zh) 一种利用地热能加热二级网水的换热站系统及方法
CN105355247A (zh) 采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统
US20220415527A1 (en) Combined power generation system and method of small fluoride-salt-cooled high-temperature reactor and solar tower
CN111075529B (zh) 一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统
CN209281902U (zh) 用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统
CN109616229A (zh) 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
CN205104244U (zh) 采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统
CN209328527U (zh) 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
CN115574305A (zh) 一种熔盐堆发电、储能与供热耦合运行系统及方法
CN216487339U (zh) 一种核电站余热蓄能和分配再利用系统
CN109448879A (zh) 用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统
CN113250774B (zh) 负压排汽汽轮机和抽气式加热器的热力系统及使用方法
CN112951464B (zh) 采用液态金属磁流体发电换热器的空间核电系统及发电方法
CN215333021U (zh) 一种纯凝改供热空冷机组余压余热利用系统
CN113053544B (zh) 一种用于聚变堆的油储能耦合发电系统及发电方法
Yang et al. Preliminary design of an SCO 2 conversion system applied to the sodium cooled fast reactor
CN111081402B (zh) 一种适用于聚变堆核电站的蒸汽发生系统
CN111081388B (zh) 一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统
Wang et al. Thermodynamic Analysis of Combined Cooling Heating and Power System with Absorption Heat Pump Based on Small Modular Lead-based Reactor
Chen et al. Design and optimization of a new heterogeneous printed circuit plate heat exchanger with molten salt zigzag passage and supercritical CO2 airfoil fin passage

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant