CN113503191B - 一种核能发电制氢综合利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核能发电制氢综合利用系统。所述系统包括氦气‑蒸汽联合发电系统、高温固体氧化物电解水制氢系统、余热回收利用系统和氢气压缩储藏系统；其中，氦气‑蒸汽联合发电系统通过高温氦气布雷顿循环和蒸汽朗肯循环进行发电和输出蒸汽至高温固体氧化物电解水制氢系统，高温固体氧化物电解水制氢系统对蒸汽进行电解产生氢气、氧气和水蒸气，并输入蒸汽朗肯循环的回热加热器进行余热回收利用，放热后的氢气输入氢气压缩储藏系统。本发明按照能量梯级利用的原则，对核能高温气冷堆采用了氦气‑蒸汽联合循环发电系统，并耦合了发电系统和高温固体氧化物电解水制氢系统，提高了能源利用效率。

Description

一种核能发电制氢综合利用系统
技术领域
本发明涉及核能综合利用领域，具体涉及一种核能发电制氢综合利用系统。
背景技术
氢气是一种清洁的二次能源，在燃料电池领域具有良好的应用前景。目前主要的制氢方法为化石燃料制氢，但是该制氢方式会排放大量的温室气体和污染物，不符合能源清洁利用的要求。核能作为一种优质的能源，其利用形式由目前的单纯发电向发电、制氢等多种能源供应的综合系统转变，可以提高能源利用效率。在清洁能源制氢方式中，核能制氢具有广阔的发展前景，相比与太阳能制氢和生物质制氢，具有成熟度高和效率高的优点。在第四代核反应堆的6 种堆型概念中，均在制氢方面进行了规划，其中高温气冷堆的反应堆出口温度最高，可达800℃，是用于核能制氢的理想堆型。
中国专利申请号201610115011.3公开了一种核电站高温气冷堆发电制氢制淡水三联产系统及其方法。该系统包括核电站氦气循环系统、过热器、蒸汽发生器、闪蒸器、蒸汽喷射器、海水淡化装置、固体氧化物电解槽等装置。系统中高温气冷堆的氦气首先通过氦气轮机进行发电，然后氦气轮机的部分排气余热用于蒸汽电解制氢，然后冷却器的低温余热冷却水用于耦合闪蒸和蒸汽喷射的蒸馏法海水淡化。该系统实现了核电站循环系统和蒸汽电解制氢工艺以及蒸馏法海水淡化工艺的耦合，但是系统采用氦气轮机的排气(温度为550-650℃) 加热制氢系统的蒸汽，所得的过热器蒸汽出口温度为520-620℃，该温度低于固体氧化物电解水制氢所需的700℃高温环境，制氢效率较低。
中国申请号201710394058.2公开了一种电解制氢与核电站灵活性调峰结合的系统。该系统包括电网调峰控制系统、送变电及供电系统、电解水制氢系统、氢气收集净化系统、冷却水余热回收系统和电解池高温蒸汽供应系统等。核电厂的主蒸汽通过电加热器加热，为高温固体电解池提供蒸汽。该发明所采用的反应堆为常规的三代水堆系统，通过电加热的方式进一步提高蒸汽温度，将高品质能源转变为低品质能源，严重降低了系统的能源利用效率。此外，从高温固体电解池出来的氢气和氧气所携带的热量没有进行回收利用。该发明系统实现了核电站的灵活性调峰，但没有按照能源的品质进行梯级利用。
目前，在核能发电与制氢综合利用领域，还没有一种实现能源梯级利用的高效系统，制约了核能制氢的发展，尤其是对于反应堆出口温度很高的高温气冷堆，如果热量不进行合理的梯级利用，将直接影响能源利用效率。
发明内容
为了解决上述核能综合利用领域的技术难题，本发明提出了一种核能发电制氢综合利用系统，将高温气冷堆发电系统和高温固体氧化物电解水制氢系统合理地耦合在一起，实现核能的高效综合利用，提高能源利用率。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种核能发电制氢综合利用系统，包括氦气-蒸汽联合发电系统、高温固体氧化物电解水制氢系统、余热回收利用系统和氢气压缩储藏系统；其中，氦气- 蒸汽联合发电系统通过高温氦气布雷顿循环和蒸汽朗肯循环进行发电和输出蒸汽至高温固体氧化物电解水制氢系统，高温固体氧化物电解水制氢系统对蒸汽进行电解产生氢气、氧气和水蒸气，并输入余热回收利用系统进行放热，放热后的氢气输入氢气压缩储藏系统。
进一步地，氦气-蒸汽联合发电系统包括高温气冷堆、氦气轮机、第一发电机、蒸汽发生器、第一压气机、蒸汽轮机、第二发电机、凝汽器、凝结水泵、第一低压加热器、第二低压加热器、除氧器、给水泵、第一高压加热器和第二高压加热器；
高温气冷堆分别输出高温氦气至氦气轮机和高温固体氧化物电解水制氢系统；高温氦气在氦气轮机膨胀做功带动第一发电机发电，氦气轮机输出低压氦气至蒸汽发生器；低压氦气在蒸汽发生器中加热蒸汽朗肯循环的给水，蒸汽发生器输出蒸汽至蒸汽轮机，并排出低温低压氦气至压气机；压气机将低温低压氦气压缩并输送回高温气冷堆；
由蒸汽轮机的主蒸汽管道引出部分蒸汽至高温固体氧化物电解水制氢系统，蒸汽在蒸汽轮机中膨胀做功带动第二发电机发电后进入凝汽器，第二发电机产生的电输入高温固体氧化物电解水制氢系统；凝汽器输出的凝结水依次经过凝结水泵、第一低压加热器、第二低压加热器、除氧器、给水泵、第二高压加热器和第一高压加热器进入蒸汽发生器管侧，作为蒸汽朗肯循环的给水。
进一步地，高温气冷堆为模块化反应堆，冷却剂为氦气。
进一步地，高温固体氧化物电解水制氢系统包括蒸汽喷射器、预热器、过热器、高温固体氧化物电解池；
高温气冷堆输出高温氦气至过热器；
蒸汽轮机主蒸汽管道引出部分蒸汽至蒸汽喷射器，结合蒸汽轮机的抽汽，经蒸汽喷射器调整到高温固体氧化物电解池的工作压力，然后经过预热器进行预热并输入过热器；过热器通过来自高温气冷堆的高温氦气对蒸汽进行加热，过热器输出降温氦气至蒸汽发生器，并输出加热的蒸汽至高温固体氧化物电解池进行电解产生氢气、氧气和水蒸气；产生的氢气、氧气和水蒸气输入余热回收利用系统进行放热。
进一步地，所述高温固体氧化物电解池包括多个具有电极的单体电池，高温固体氧化物电解池的工作温度为850-900℃；
高温气冷堆输出的高温氦气的压力为7-8MPa，温度为930-950℃；
氦气轮机输出的低压氦气的温度为600-650℃；
蒸汽发生器排出至第一压气机的低温低压氦气的温度为320-370℃，经第一压气机压缩后温度升高至350-400℃。
进一步地，输入高温固体氧化物电解水制氢系统的蒸汽由蒸汽轮机的主蒸汽和抽汽提供，两股压力和温度不同的蒸汽通过蒸汽喷射器调节至设计的压力、温度；经蒸汽喷射器调整压力后的蒸汽进入预热器预热至550-600℃；
过热器为管壳式换热器，通过高温气冷堆输出的高温氦气对蒸汽加热至850-900℃，过热器输出的降温氦气的温度为600-650℃。
进一步地，余热回收利用系统包括预热器、第一高压加热器、第二高压加热器、除氧器、第二低压加热器和第一低压加热器；产生的氢气、氧气和水蒸气经过预热器进行放热，氧气继续经过第二高压加热器和第一低压加热器进行放热；氢气继续经过第一高压加热器和第二低压加热器进行放热，继续放热时的氢气经过氢气压缩储藏系统进行压缩，放热后的氢气输入氢气压缩储藏系统进行储藏。
进一步地，预热器中设置两个并联的管壳式换热器，壳侧工质分别为氧气，以及氢气与水蒸汽的混合气；利用氢气、氧气和水蒸气的余热在预热器对高温固体氧化物电解水制氢系统所需的蒸汽进行预热；壳侧水蒸气放热后凝结成疏水，进入除氧器。
进一步地，氢气压缩储藏系统包括第二压气机、第三压气机、第四压气机和储氢罐；
经预热器放热后的氢气经过第二压气机、第一高压加热器、第三压气机、第二低压加热器和第四压气机压缩放热后输入储氢罐。
进一步地，输入储氢罐的氢气的压缩与储藏采用级间冷却多级压缩的方式，级间冷却器为第一高压加热器和第二低压加热器。
和现有技术相比较，本发明具备以下优点：
1、本发明按照能量梯级利用的原则，对核能高温气冷堆采用了氦气-蒸汽联合循环发电系统，并耦合了发电系统和高温固体氧化物电解水制氢系统，提高了能源利用效率。
2、本发明对高温固体氧化物电解水制氢系统的氧气、氢气和水蒸气的余热进行了回收利用，用来加热蒸汽朗肯循环的给水，替代部分汽轮机抽汽，提高了核能综合利用的效率。
3、本发明采用喷射器引射蒸汽轮机的主蒸汽和抽汽，能够灵活调节进入高温固体氧化物电解水制氢系统的蒸汽压力和温度参数。
4、本发明对氢气的压缩与储藏采用了级间冷却多级压缩的方式，可以降低压缩机耗功，提高压缩氢气的压力。
附图说明
图1为本发明的一种核能发电制氢综合利用系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
实施例：
一种核能发电制氢综合利用系统，如图1所示，包括氦气-蒸汽联合发电系统、高温固体氧化物电解水制氢系统、余热回收利用系统和氢气压缩储藏系统；其中，氦气-蒸汽联合发电系统通过高温氦气布雷顿循环和蒸汽朗肯循环进行发电和输出蒸汽至高温固体氧化物电解水制氢系统，高温固体氧化物电解水制氢系统对蒸汽进行电解产生氢气、氧气和水蒸气，并输入余热回收利用系统进行放热，放热后的氢气输入氢气压缩储藏系统。
氦气-蒸汽联合发电系统包括高温气冷堆1、氦气轮机2、第一发电机3、蒸汽发生器4、第一压气机5、蒸汽轮机401、第二发电机402、凝汽器403、凝结水泵404、第一低压加热器405、第二低压加热器406、除氧器407、给水泵408、第一高压加热器410和第二高压加热器409；
高温气冷堆1分别输出高温氦气至氦气轮机2和高温固体氧化物电解水制氢系统；高温氦气在氦气轮机2膨胀做功带动第一发电机3发电，氦气轮机2 输出低压氦气至蒸汽发生器4；低压氦气在蒸汽发生器4中加热蒸汽朗肯循环的给水，蒸汽发生器4输出蒸汽至蒸汽轮机401，并排出低温低压氦气至第一压气机5；第一压气机5将低温低压氦气压缩并输送回高温气冷堆1；
由蒸汽轮机401的主蒸汽管道引出部分蒸汽至高温固体氧化物电解水制氢系统，蒸汽在蒸汽轮机401中膨胀做功带动第二发电机402发电后进入凝汽器 403，第二发电机402产生的电输入高温固体氧化物电解水制氢系统；凝汽器403 输出的凝结水依次经过凝结水泵404、第一低压加热器405、第二低压加热器406、除氧器407、给水泵408、第二高压加热器409和第一高压加热器410进入蒸汽发生器4管侧，作为蒸汽朗肯循环的给水。
高温气冷堆1为模块化反应堆，冷却剂为氦气。
高温固体氧化物电解水制氢系统包括蒸汽喷射器204、预热器202、过热器 201、高温固体氧化物电解池203；
高温气冷堆1输出高温氦气至过热器201；
蒸汽轮机401主蒸汽管道引出部分蒸汽至蒸汽喷射器204，结合蒸汽轮机 401的抽汽，经蒸汽喷射器204调整到高温固体氧化物电解池203的工作压力，然后经过预热器202进行预热并输入过热器201；过热器201通过来自高温气冷堆1的高温氦气对蒸汽进行加热，过热器201输出降温氦气至蒸汽发生器4，并输出加热的蒸汽至高温固体氧化物电解池203进行电解产生氢气、氧气和水蒸气；产生的氢气、氧气和水蒸气输入余热回收利用系统进行放热。
所述高温固体氧化物电解池203包括多个具有电极的单体电池，高温固体氧化物电解池203的工作温度为850-900℃；
高温气冷堆1输出的高温氦气的压力为7-8MPa，温度为930-950℃；
氦气轮机2输出的低压氦气的温度为600-650℃；
蒸汽发生器4排出至第一压气机5的低温低压氦气的温度为320-370℃，经第一压气机5压缩后温度升高至350-400℃。
输入高温固体氧化物电解水制氢系统的蒸汽由蒸汽轮机401的主蒸汽和抽汽提供，两股压力和温度不同的蒸汽通过蒸汽喷射器204调节至设计的压力、温度；经蒸汽喷射器204调整压力后的蒸汽进入预热器202预热至550-600℃；
过热器201为管壳式换热器，通过高温气冷堆1输出的高温氦气对蒸汽加热至850-900℃，过热器201输出的降温氦气的温度为600-650℃。
余热回收利用系统包括预热器202、第一高压加热器410、第二高压加热器 409、除氧器407、第二低压加热器406和第一低压加热器405；
产生的氢气、氧气和水蒸气经过预热器202进行放热，氧气继续经过第二高压加热器409和第一低压加热器405进行放热；氢气继续经过第一高压加热器410和第二低压加热器406进行放热，继续放热时的氢气经过氢气压缩储藏系统进行压缩，放热后的氢气输入氢气压缩储藏系统进行储藏。
预热器202中设置两个并联的管壳式换热器，壳侧工质分别为氧气，以及氢气与水蒸汽的混合气；
利用氢气、氧气和水蒸气的余热在预热器202对高温固体氧化物电解水制氢系统所需的蒸汽进行预热；壳侧水蒸气放热后凝结成疏水，进入除氧器407。
氢气压缩储藏系统包括第二压气机411、第三压气机412、第四压气机413 和储氢罐414；经预热器202放热后的氢气经过第二压气机411、第一高压加热器410、第三压气机412、第二低压加热器406和第四压气机413压缩放热后输入储氢罐414。
输入储氢罐414的氢气的压缩与储藏采用级间冷却多级压缩的方式，级间冷却器为第一高压加热器410和第二低压加热器406。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种核能发电制氢综合利用系统，其特征在于，包括氦气-蒸汽联合发电系统、高温固体氧化物电解水制氢系统、余热回收利用系统和氢气压缩储藏系统；其中，氦气-蒸汽联合发电系统通过高温氦气布雷顿循环和蒸汽朗肯循环进行发电和输出蒸汽至高温固体氧化物电解水制氢系统，高温固体氧化物电解水制氢系统对蒸汽进行电解产生氢气、氧气和水蒸汽，并输入余热回收利用系统进行放热，放热后的氢气输入氢气压缩储藏系统；氦气-蒸汽联合发电系统包括高温气冷堆(1)、氦气轮机(2)、第一发电机(3)、蒸汽发生器(4)、第一压气机(5)、蒸汽轮机(401)、第二发电机(402)、凝汽器(403)、凝结水泵(404)、第一低压加热器(405)、第二低压加热器(406)、除氧器(407)、给水泵(408)、第一高压加热器(410)和第二高压加热器(409)；
高温气冷堆(1)输出高温氦气至氦气轮机(2)和高温固体氧化物电解水制氢系统；高温氦气在氦气轮机(2)膨胀做功带动第一发电机(3)发电，氦气轮机(2)输出低压氦气至蒸汽发生器(4)；低压氦气在蒸汽发生器(4)中加热蒸汽朗肯循环的给水，蒸汽发生器(4)输出蒸汽至蒸汽轮机(401)，并排出低温低压氦气至第一压气机(5)；第一压气机(5)将低温低压氦气压缩并输送回高温气冷堆(1)；
由蒸汽轮机(401)的主蒸汽管道引出部分蒸汽至高温固体氧化物电解水制氢系统；蒸汽在蒸汽轮机(401)中膨胀做功带动第二发电机(402)发电后进入凝汽器(403)，第二发电机(402)产生的电输入高温固体氧化物电解水制氢系统；凝汽器(403)输出的凝结水依次经过凝结水泵(404)、第一低压加热器(405)、第二低压加热器(406)、除氧器(407)、给水泵(408)、第二高压加热器(409)和第一高压加热器(410)进入蒸汽发生器(4)管侧，作为蒸汽朗肯循环的给水；高温固体氧化物电解水制氢系统包括蒸汽喷射器(204)、预热器(202)、过热器(201)、高温固体氧化物电解池(203)；
高温气冷堆(1)输出高温氦气至过热器(201)；
蒸汽轮机(401)主蒸汽管道引出部分蒸汽至蒸汽喷射器(204)，结合蒸汽轮机(401)的抽汽，经蒸汽喷射器(204)调整到高温固体氧化物电解池(203)的工作压力，然后经过预热器(202)进行预热并输入过热器(201)；过热器(201)通过来自高温气冷堆(1)的高温氦气对蒸汽进行加热，过热器(201)输出降温氦气至蒸汽发生器(4)，并输出加热的蒸汽至高温固体氧化物电解池(203)进行电解产生氢气、氧气和水蒸汽；产生的氢气、氧气和水蒸汽输入余热回收利用系统进行放热。
2.根据权利要求1所述的一种核能发电制氢综合利用系统，其特征在于，高温气冷堆(1)为模块化反应堆，冷却剂为氦气。
3.根据权利要求1所述的一种核能发电制氢综合利用系统，其特征在于，所述高温固体氧化物电解池(203)包括多个具有电极的单体电池，高温固体氧化物电解池(203)的工作温度为850-900℃；
高温气冷堆(1)输出的高温氦气的压力为7-8MPa，温度为930-950℃；
氦气轮机(2)输出的低压氦气的温度为600-650℃；
蒸汽发生器(4)排出至第一压气机(5)的低温低压氦气的温度为320-370℃，经第一压气机(5)压缩后温度升高至350-400℃。
4.根据权利要求1所述的一种核能发电制氢综合利用系统，其特征在于，输入高温固体氧化物电解水制氢系统的蒸汽由蒸汽轮机(401)的主蒸汽和抽汽提供，两股压力和温度不同的蒸汽通过蒸汽喷射器(204)调节至设计的压力、温度；经蒸汽喷射器(204)调整压力后的蒸汽进入预热器(202)预热至550-600℃；
过热器(201)为管壳式换热器，通过高温气冷堆(1)输出的高温氦气对蒸汽加热至850-900℃，过热器(201)输出的降温氦气的温度为600-650℃。
5.根据权利要求1所述的一种核能发电制氢综合利用系统，其特征在于，余热回收利用系统包括预热器(202)、第一高压加热器(410)、第二高压加热器(409)、除氧器(407)、第二低压加热器(406)和第一低压加热器(405)；产生的氢气、氧气和水蒸汽经过预热器(202)进行放热，氧气继续经过第二高压加热器(409)和第一低压加热器(405)进行放热；氢气继续经过第一高压加热器(410)和第二低压加热器(406)进行放热，继续放热时的氢气经过氢气压缩储藏系统进行压缩，放热后的氢气输入氢气压缩储藏系统进行储藏。
6.根据权利要求5所述的一种核能发电制氢综合利用系统，其特征在于，预热器(202)中设置两个并联的管壳式换热器，壳侧工质分别为氧气，以及氢气与水蒸汽的混合气；利用氢气、氧气和水蒸汽的余热在预热器(202)对高温固体氧化物电解水制氢系统所需的蒸汽进行预热；壳侧水蒸汽放热后凝结成疏水，进入除氧器(407)。
7.根据权利要求6所述的一种核能发电制氢综合利用系统，其特征在于，氢气压缩储藏系统包括第二压气机(411)、第三压气机(412)、第四压气机(413)和储氢罐(414)；经预热器(202)放热后的氢气经过第二压气机(411)、第一高压加热器(410)、第三压气机(412)、第二低压加热器(406)和第四压气机(413)压缩放热后输入储氢罐(414)。
8.根据权利要求7所述的一种核能发电制氢综合利用系统，其特征在于，输入储氢罐(414)的氢气的压缩与储藏采用级间冷却多级压缩的方式，级间冷却器为第一高压加热器(410)和第二低压加热器(406)。
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