CN112922685A - 一种闭式空气布雷顿-有机朗肯联合循环系统 - Google Patents

一种闭式空气布雷顿-有机朗肯联合循环系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种闭式空气布雷顿‑有机朗肯联合循环系统，主要应用于可移动小型核电源动力循环发电领域中。该系统包含低压压缩机、中间冷却器、高压压缩机、空气回热器、高温热源、高压透平、再热热源、低压透平、发电机、分流阀、ORC换热器、ORC透平、ORC回热器、冷却器和泵。本发明系统通过调整分流阀开度，匹配两种发电子系统的输出功率，使系统在不同负荷要求下灵活分配联合循环子系统之间的功率分配，提高了系统的安全可靠性和变负荷灵活性。

Description

一种闭式空气布雷顿-有机朗肯联合循环系统
技术领域
本发明涉及一种布雷顿联合循环系统，特别涉及一种闭式空气布雷顿循环及有机朗肯联合循环系统。
背景技术
可移动堆作为一种小型核电源，具有模块化设计、可灵活机动部署和离网长期独立运行的特点，适合用作边远地区、极地科考站和孤岛供电，也可在紧急情况下作为备用电源对局部电网提供电力保障。现有的闭式超临界二氧化碳和氦气布雷顿循环系统，具有比空气循环更高的效率，但是在供应极端紧缺的时期或地区，动力系统可能会因工质泄露而导致工质紧缺，影响机组长期稳定运行。开式空气循环具有结构简单，透平技术成熟等优点，但是相比之下闭式空气循环具有循环效率更高，设备尺寸更小，整体系统更加紧凑的优点。单纯采用布雷顿循环动力系统，循环效率较低，冷端损失大，同等功率水平发电核燃料消耗量更大，不利于延长反应堆寿命。因此本发明提出采用闭式空气布雷顿循环配合有机朗肯循环作为小型堆核动力系统的热电转换系统。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种闭式空气布雷顿-有机朗肯联合循环系统，能够保障可移动堆核电源长期安全稳定高效灵活运行。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种闭式空气布雷顿-有机朗肯联合循环系统，包含两个子系统：闭式空气布雷顿循环子系统和有机朗肯循环子系统；所述闭式空气布雷顿循环子系统包括：低压压缩机1、中间冷却器2、高压压缩机3、空气回热器4、高温热源5、高压透平6、再热热源7、低压透平8、发电机9、ORC换热器10、分流阀16和第二冷却器17；所述有机朗肯循环子系统包括：ORC换热器10、ORC透平11、ORC回热器12、第一冷却器13、泵14和发电机15；
在闭式空气布雷顿循环子系统中：低压空气在低压压缩机1中被压缩，低压压缩机1出口与中间冷却器2进口相连，中压空气在中间冷却器2中被冷却，中间冷却器2的出口与高压压缩机3入口相连，中压空气在高压压缩机3中被压缩成高压空气，高压压缩机3出口与空气回热器4的冷侧进口4.1相连，空气回热器4为间壁式逆流换热器，在空气回热器4中高压空气被低压透平8排出的低压空气加热，高压空气由冷侧出口4.2排出并进入高温热源5进一步加热，高温热源5出口与高压透平6进口相连，高温高压空气推动高压透平6做功，高压透平6通过轴与低压压缩机1和高压压缩机3相连，并驱动两者压缩空气，高压透平出口与再热热源7进口相连，再热热源7出口与低压透平8进口相连，高温中压空气推动低压透平8做功，低压透平8通过轴与发电机9相连，并驱动发电机9运转，低压透平8的排气由热侧进口4.3进入空气回热器4，在空气回热器4中低压空气被高压压缩机3排出的高压空气冷却，空气回热器4的热侧出口4.4和分流阀16进口相连，分流阀16用于控制进入ORC换热器10和第二冷却器17中余热空气流量，分流阀16的第一出口16.1与ORC换热器10的热侧进口10.1相连，ORC换热器10采用间壁式逆流换热器，在ORC换热器10中低压空气被ORC工质进一步冷却，ORC换热器10的热侧出口10.2与低压压缩机1进口相连，分流阀16的第二出口16.2与冷却器17进口相连，空气在第二冷却器17中被冷却，第二冷却器17出口与低压压缩机1进口相连；
在有机朗肯循环子系统中：ORC工质在ORC换热器10中被加热，ORC换热器10的冷侧出口10.4与ORC透平11进口相连，ORC工质在ORC透平11中推动透平做功，ORC透平11通过轴与发电机15相连，并驱动发电机15运转，ORC透平11出口与ORC回热器12的热侧进口12.3相连，ORC回热器12采用间壁式逆流换热器，在ORC回热器12中高温ORC工质被泵14排出的ORC工质冷却，ORC回热器12的热侧出口12.4与第一冷却器13进口相连，在第一冷却器13中ORC工质被冷却，第一冷却器13的出口与泵14进口相连，泵14出口与ORC回热器12的冷侧进口12.1相连，在ORC回热器12中，低温ORC工质被ORC透平11排出的高温ORC工质加热，ORC回热器的冷侧出口12.2与ORC换热器的冷侧进口10.3相连；
本发明所述的闭式空气布雷顿-有机朗肯联合循环系统，通过分流阀16改变空气在ORC换热器10和第二冷却器17间的流量分配，系统可以在不同负荷需求下采用不同的运行方式；在负荷需求较低时，分流阀16的第一出口16.1完全关闭，空气全部进入第二冷却器17冷却，有机朗肯循环子系统脱离运行；在负荷需求逐步提升时，逐渐增加分流阀16的第一出口16.1的开度，增加进入ORC换热器10的空气流量比例，有机朗肯循环子系统投入运行，发电机15开始发电；当负荷需求进一步增加时，关闭分离阀16的第二出口16.2的开度，空气全部通入ORC换热器10，实现系统负荷在两个子系统之间灵活分配。
本发明闭式布雷顿循环利用热源加热空气推动透平做功，将热能转换为电能，具有结构简单、装置体积小、响应速度快等显著优点，适用于小型化移动式发电系统。将闭式空气布雷顿循环与有机朗肯循环系统结合，构建联合循环系统，使用闭式空气布雷顿循环，可以提高循环效率、增加系统设备的紧凑性、避免工质泄露对动力系统长期稳定安全运行的威胁，配合有机朗肯循环作为底循环回收布雷顿循环余热，有利于回收布雷顿循环排气余热，降低循环热损失，提高热效率。本发明带来以下益处：
(1)本发明一种闭式空气布雷顿-有机朗肯联合循环发电系统，结合了两种发电子系统，能够根据不同负荷需求匹配两个子系统之间的发电量，实现全工况自适应发电；
(2)本发明联合循环发电系统具有环境适应性强、结构紧凑、循环效率高、安全稳定的优点，作为可移动堆核电源的动力系统供电。
附图说明
图1为闭式空气布雷顿-有机朗肯联合循环系统的结构示意图。
图中：低压压缩机1、中间冷却器2、高压压缩机3、空气回热器4、高温热源5、高压透平6、再热热源7、低压透平8、发电机9、ORC换热器10、ORC透平11、ORC回热器12、第一冷却器13、泵14、发电机15、分流阀16和第二冷却器17。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
参照图1说明本发明的本实施方式，本实施方式所述的一种闭式空气布雷顿-有机朗肯联合循环系统，包含两个子系统：闭式空气布雷顿循环子系统和有机朗肯循环子系统。闭式空气布雷顿循环子系统包括：低压压缩机1、中间冷却器2、高压压缩机3、空气回热器4、高温热源5、高压透平6、再热热源7、低压透平8、发电机9、ORC换热器10、分流阀16和第二冷却器17；有机朗肯循环子系统包括：ORC换热器10、ORC透平11、ORC回热器12、第一冷却器13、泵14和发电机15。
在闭式空气布雷顿循环子系统中，主要包含五类工作过程：冷却过程、压缩过程、回热过程、加热过程和膨胀过程。低压空气由低压压缩机1压缩，低压压缩机1出口与中间冷却器2进口相连，压缩后的中压空气被中间冷却器2冷却至被压缩前的温度，中间冷却器2的出口与高压压缩机3入口相连，低温中压空气在高压压缩机3中被压缩成为高压空气，高压压缩机3出口连接空气回热器4的冷侧进口4.1，在空气回热器4中，低压透平8排出的低压空气释放余热以加热冷侧的高压空气，高压空气由冷侧出口4.2排出空气回热器4，并进入高温热源5进一步加热成高温高压空气，高温热源5出口与高压透平6进口相连，高温高压空气推动高压透平6旋转做功，高压透平6与低压压缩机1和高压压缩机3共轴，为两台压缩机提供动力，高压透平6出口与再热热源7进口相连，再热热源7中空气再次被加热到膨胀前的温度，再热热源7出口与低压透平8进口相连，在低压透平8中高温中压空气继续膨胀做功，低压透平8与发电机9共轴并驱动发电机9运转，低压透平8的排气带有一定余热，由热侧进口4.3进入空气回热器4对空气余热进行回收，在空气回热器4中热侧低压空气被冷侧高压空气冷却，空气回热器4的热侧出口4.4和分流阀16进口相连，分流阀16用于控制进入ORC换热器10和第二冷却器17中余热空气流量，通过分流阀16改变空气在ORC换热器10和第二冷却器17间的流量分配，系统可以在不同负荷需求下采用不同的运行方式，实现功率在两个子系统之间的灵活分配，分流阀16的第一出口16.1与ORC换热器10的热侧进口10.1相连，在ORC换热器10中热侧低压空气被冷侧ORC工质进一步冷却至循环最低温度，ORC换热器10的热侧出口10.2与低压压缩机1进口相连，当外界负荷需求较大时，关闭分离阀16的第二出口16.2的开度，空气全部通入ORC换热器10的热侧，此时系统的整体输出功率达到最大值；分流阀16的第二出口16.2与冷却器17进口相连，在第二冷却器17中空气被冷却介质冷却至循环最低温度，而后经由第二冷却器17出口通入低压压缩机1进口，在负荷需求逐步降低时，逐渐减小分流阀16的第一出口16.1的开度，增加第二出口16.2的开度，减小进入ORC换热器10的空气流量比例，有机朗肯循环子系统输出功率逐步下降；负荷进一步减小时，完全关闭第一出口16.1，有机朗肯循环停止工作。
在有机朗肯循环子系统中：ORC工质在ORC换热器10中冷侧受热蒸发成为具有一定过热度的ORC蒸汽，ORC换热器10的冷侧出口10.4与ORC透平11进口相连，ORC蒸汽在ORC透平11中膨胀推动透平旋转做功，ORC透平11与发电机15共轴，驱动发电机15运转，ORC透平11出口与ORC回热器12的热侧进口12.3相连，将具有一定热量的ORC蒸汽引入ORC回热器12进行余热回收，在ORC回热器12中热侧ORC蒸汽被冷侧ORC工质冷却，ORC回热器12的热侧出口12.4与第一冷却器13进口相连，在第一冷却器13中ORC工质被冷却介质冷却到室温水平，第一冷却器13的出口与泵14进口相连，ORC工质经过泵14加压后由泵14出口进入ORC回热器12的冷侧进口12.1，在ORC回热器12中，低温ORC工质被热侧ORC蒸汽加热，ORC回热器的冷侧出口12.2与ORC换热器10的冷侧进口10.3相连，ORC工质进入ORC换热器10，完成一次有机朗肯循环。

Claims (3)

1.一种闭式空气布雷顿-有机朗肯联合循环系统，其特征在于，包含两个子系统：闭式空气布雷顿循环子系统和有机朗肯循环子系统；所述闭式空气布雷顿循环子系统包括：低压压缩机(1)、中间冷却器(2)、高压压缩机(3)、空气回热器(4)、高温热源(5)、高压透平(6)、再热热源(7)、低压透平(8)、发电机(9)、ORC换热器(10)、分流阀(16)和第二冷却器(17)；所述有机朗肯循环子系统包括：ORC换热器(10)、ORC透平(11)、ORC回热器(12)、第一冷却器(13)、泵(14)和发电机(15)；
在闭式空气布雷顿循环子系统中：低压空气在低压压缩机(1)中被压缩，低压压缩机(1)出口与中间冷却器(2)进口相连，中压空气在中间冷却器(2)中被冷却，中间冷却器(2)的出口与高压压缩机(3)入口相连，中压空气在高压压缩机(3)中被压缩成高压空气，高压压缩机(3)出口与空气回热器(4)的冷侧进口(4.1)相连，在空气回热器(4)中高压空气被低压透平(8)排出的低压空气加热，高压空气由冷侧出口(4.2)排出并进入高温热源(5)进一步加热，高温热源(5)出口与高压透平(6)进口相连，高温高压空气推动高压透平(6)做功，高压透平(6)通过轴与低压压缩机(1)和高压压缩机(3)相连，并驱动两者压缩空气，高压透平出口与再热热源(7)进口相连，再热热源(7)出口与低压透平(8)进口相连，高温中压空气推动低压透平(8)做功，低压透平(8)通过轴与发电机(9)相连，并驱动发电机(9)运转，低压透平(8)的排气由热侧进口(4.3)进入空气回热器(4)，在空气回热器(4)中低压空气被高压压缩机(3)排出的高压空气冷却，空气回热器(4)的热侧出口(4.4)和分流阀(16)进口相连，分流阀(16)用于控制进入ORC换热器(10)和第二冷却器(17)中余热空气流量，分流阀(16)的第一出口(16.1)与ORC换热器(10)的热侧进口(10.1)相连，在ORC换热器(10)中低压空气被ORC工质进一步冷却，ORC换热器(10)的热侧出口(10.2)与低压压缩机(1)进口相连，分流阀(16)的第二出口(16.2)与第二冷却器(17)进口相连，空气在冷却器(17)中被冷却，第二冷却器(17)出口与低压压缩机(1)进口相连；
在有机朗肯循环子系统中：ORC工质在ORC换热器(10)中被加热，ORC换热器(10)的冷侧出口(10.4)与ORC透平(11)进口相连，ORC工质在ORC透平(11)中推动透平做功，ORC透平(11)通过轴与发电机(15)相连，并驱动发电机(15)运转，ORC透平(11)出口与ORC回热器(12)的热侧进口(12.3)相连，在ORC回热器(12)中高温ORC工质被泵(14)排出的ORC工质冷却，ORC回热器(12)的热侧出口(12.4)与第一冷却器(13)进口相连，在第一冷却器(13)中ORC工质被冷却，第一冷却器(13)的出口与泵(14)进口相连，泵(14)出口与ORC回热器(12)的冷侧进口(12.1)相连，在ORC回热器(12)中，低温ORC工质被ORC透平(11)排出的高温ORC工质加热，ORC回热器(12)的冷侧出口(12.2)与ORC换热器的冷侧进口(10.3)相连。
2.根据权利要求1所述的一种闭式空气布雷顿-有机朗肯联合循环系统，其特征在于，系统通过分流阀(16)改变空气在ORC换热器(10)和第二冷却器(17)间的流量分配，在不同负荷需求下采用不同的运行方式；在负荷需求较低时，分流阀(16)的第一出口(16.1)完全关闭，空气全部进入第二冷却器(17)冷却，有机朗肯循环子系统脱离运行；在负荷需求逐步提升时，逐渐增加分流阀(16)的第一出口(16.1)的开度，增加进入ORC换热器(10)的空气流量比例，有机朗肯循环子系统投入运行，发电机(15)开始发电；当负荷需求进一步增加时，关闭分离阀(16)的第二出口(16.2)的开度，空气全部通入ORC换热器(10)，实现系统负荷在两个子系统之间灵活分配。
3.根据权利要求1所述的一种闭式空气布雷顿-有机朗肯联合循环系统，其特征在于，所述空气回热器(4)、ORC换热器(10)和ORC回热器(12)采用间壁式逆流换热器。
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