CN113503192A - 一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统。所述核能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和海水淡化系统；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，并输入海水淡化系统进行热量回收利用。本发明按照能量梯级利用的原则，耦合了发电系统、高温固体氧化物电解水制氢系统和海水淡化系统，能够实现发电负荷的灵活调节，提高了整体机组的高效性和灵活性。

Description

一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统
技术领域
本发明涉及核能综合利用领域，具体涉及一种可实现核电站灵活调峰的核能综合利用系统。
技术背景
核能作为一种清洁、高效、优质的能源，在我国一次能源消费中的占比逐年提高，成为我国能源多元化供应体系中的重要组成部分。按照中国实现碳达峰、碳中和的目标，国家能源结构将发生很大变化，新能源会快速发展，传统化石能源的利用会缩减。然而，风能、太阳能等新能源发电具有很大的不稳定性，对电网冲击较大，必须依托于一部分具有调峰能力的能源发电形式作为基础负荷。核能发电系统的变负荷能力较差，主要体现在变负荷速率慢，低负荷运行水平差。核能综合利用是将核能用来发电、制氢、海水淡化或供热的多联产形式，改变传统单一用来发电的模式，有望解决核电站参与调峰的问题。
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，过热器的蒸汽出口温度为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。氦气轮机发电系统、蒸汽电解制氢系统以及海水淡化系统是相互耦合的，不能通过调节制氢系统的负荷来调节电功率，因此难以实现核电站的灵活性调峰。
中国申请号201710394058.2公开了一种电解水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过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压水堆系统，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。
核能综合利用可以提高核能利用效率，是未来核能发展的方向，同时核能综合利用系统应当解决核能发电系统的灵活性问题，实现机组电负荷的灵活调节，进而使电网能够消纳风能、太阳能等不稳定的新能源发电。
发明内容
为了解决上述核能综合利用的高效性和发电灵活性的技术难题，本发明提出了一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，将高温气冷堆发电系统、高温固体氧化物电解水制氢系统和海水淡化系统按照能量梯级利用的原则耦合在一起，实现核能的高效综合利用和发电负荷的灵活调节。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，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和海水淡化系统；
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，并输入海水淡化系统进行热量回收利用。
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、低压加热器、除氧器、给水泵和高压加热器；
高温气冷堆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第一压气机；第一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、低压加热器、除氧器、给水泵和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，所述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调节阀、蒸汽喷射器、预热器、过热器、高温固体氧化物电解池、第二压气机和储氢罐；
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；氢气、氧气和水蒸气经过预热器放热后输入海水淡化系统，经海水淡化系统换热器冷却后的氢气通过第二压气机压缩至储氢罐。
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；经调节阀和蒸汽喷射器调整压力后的蒸汽进入预热器预热至550-600℃。
进一步地，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，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，在预热器放热对蒸汽进行预热；
第二压气机中氢气的压缩采用多级压缩级间冷却的方式。
进一步地，海水淡化系统包括换热器和海水淡化装置；换热器连接海水淡化装置；放热后的氢气、氧气和水蒸气输入换热器用来加热海水淡化装置所需的蒸汽。
进一步地，生产的氢气通过储氢罐进行储藏，不是实时负荷，通过调节氢气的生产量来快速调节发电负荷；
在电负荷需求增加时，减小进入高温固体氧化物电解水制氢系统的高温氦气的流量和蒸汽的流量，提高氦气轮机和蒸汽轮机分别连接的第一发电机和第二发电机的发电量；
在电负荷需求减少时，增大进入高温固体氧化物电解水制氢系统的高温氦气的流量和蒸汽的流量，减小氦气轮机和蒸汽轮机分别连接的第一发电机和第二发电机的发电量。
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、高温固体氧化物电解水制氢系统和海水淡化系统，提高了能源利用效率。
2、本发明能够通过调节进入高温固体氧化物电解水制氢系统的高温氦气流量和蒸汽流量，实现氦气轮机和蒸汽轮机发电负荷的灵活调节，提高了整体机组的灵活性。
3、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，用来加热进入高温固体氧化物电解水制氢系统的蒸汽和用来作为海水淡化系统的热源，提高了核能综合利用的效率。
4、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。
5、本发明对氢气的压缩可采用多级压缩级间冷却的方式，可以降低压缩机耗功，提高压缩氢气的压力。
附图说明
图1为本发明的一种可实现核电站灵活调峰的高效核能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：
一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，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和海水淡化系统；
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，并输入海水淡化系统进行热量回收利用。
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、低压加热器405、除氧器406、给水泵407和高压加热器408；
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、低压加热器405、除氧器406、给水泵407和高压加热器408进入蒸汽发生器4管侧，作为蒸汽朗肯循环的给水。
所述高温气冷堆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调节阀201、蒸汽喷射器202、预热器203、过热器204、高温固体氧化物电解池205、第二压气机207和储氢罐208；
高温气冷堆1输出高温氦气至过热器204；
蒸汽轮机401主蒸汽管道引出部分蒸汽至蒸汽喷射器202，结合蒸汽轮机401的抽汽，经蒸汽喷射器202调整到高温固体氧化物电解池205的工作压力，然后经过预热器203进行预热并输入过热器204；过热器204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204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205进行电解产生氢气、氧气和水蒸气；氢气、氧气和水蒸气经过预热器203放热后输入海水淡化系统，经海水淡化系统换热器206冷却后的氢气通过第二压气机207压缩至储氢罐208。
所述高温固体氧化物电解池205包括多个具有电极的单体电池，高温固体氧化物电解池205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202调节至设计的压力、温度；经调节阀201和蒸汽喷射器202调整压力后的蒸汽进入预热器203预热至550-600℃；
过热器204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204输出的降温氦气的温度为600-650℃。
预热器203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203放热对蒸汽进行预热；
第二压气机207中氢气的压缩采用多级压缩级间冷却的方式。
海水淡化系统包括换热器206和海水淡化装置209；换热器206连接海水淡化装置209；放热后的氢气、氧气和水蒸气输入换热器206用来加热海水淡化装置209所需的蒸汽。
生产的氢气通过储氢罐208进行储藏，不是实时负荷，通过调节氢气的生产量来快速调节发电负荷；
在电负荷需求增加时，减小进入高温固体氧化物电解水制氢系统的高温氦气的流量和蒸汽的流量，提高氦气轮机2和蒸汽轮机401分别连接的第一发电机3和第二发电机402的发电量；
在电负荷需求减少时，增大进入高温固体氧化物电解水制氢系统的高温氦气的流量和蒸汽的流量，减小氦气轮机2和蒸汽轮机401分别连接的第一发电机3和第二发电机402的发电量。
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 (10)

1.一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，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和海水淡化系统；
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，并输入海水淡化系统进行热量回收利用。
2.根据权利要求1所述的一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，其特征在于，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)、低压加热器(405)、除氧器(406)、给水泵(407)和高压加热器(408)；
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)、低压加热器(405)、除氧器(406)、给水泵(407)和高压加热器(408)进入蒸汽发生器(4)管侧，作为蒸汽朗肯循环的给水。
3.根据权利要求2所述的一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，其特征在于，所述高温气冷堆(1)为模块化反应堆，冷却剂为氦气。
4.根据权利要求2所述的一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，其特征在于，高温固体氧化物电解水制氢系统包括调节阀(201)、蒸汽喷射器(202)、预热器(203)、过热器(204)、高温固体氧化物电解池(205)、第二压气机(207)和储氢罐(208)；
高温气冷堆(1)输出高温氦气至过热器(204)；
蒸汽轮机(401)主蒸汽管道引出部分蒸汽至蒸汽喷射器(202)，结合蒸汽轮机(401)的抽汽，经蒸汽喷射器(202)调整到高温固体氧化物电解池(205)的工作压力，然后经过预热器(203)进行预热并输入过热器(204)；过热器(204)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(204)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(205)进行电解产生氢气、氧气和水蒸气；氢气、氧气和水蒸气经过预热器(203)放热后输入海水淡化系统，经海水淡化系统换热器(206)冷却后的氢气通过第二压气机(207)压缩至储氢罐(208)。
5.根据权利要求4所述的一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，其特征在于，所述高温固体氧化物电解池(205)包括多个具有电极的单体电池，高温固体氧化物电解池(205)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℃。
6.根据权利要求4所述的一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，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(202)调节至设计的压力、温度；经调节阀(201)和蒸汽喷射器(202)调整压力后的蒸汽进入预热器(203)预热至550-600℃。
7.根据权利要求4所述的一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，其特征在于，过热器(204)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(204)输出的降温氦气的温度为600-650℃。
8.根据权利要求4所述的一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，其特征在于，预热器(203)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(203)进行放热对蒸汽进行预热；
第二压气机(207)中氢气的压缩采用多级压缩级间冷却的方式。
9.根据权利要求4所述的一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，其特征在于，海水淡化系统包括换热器(206)和海水淡化装置(209)；换热器(206)连接海水淡化装置(209)；
放热后的氢气、氧气和水蒸气输入换热器(206)用来加热海水淡化装置(209)所需的蒸汽。
10.根据权利要求1～9任一项所述的一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，其特征在于，生产的氢气通过储氢罐(208)进行储藏，不是实时负荷，可通过调节氢气的生产量来快速调节发电负荷；
在电负荷需求增加时，减小进入高温固体氧化物电解水制氢系统的高温氦气的流量和蒸汽的流量，提高氦气轮机(2)和蒸汽轮机(401)分别连接的第一发电机(3)和第二发电机(402)的发电量；
在电负荷需求减少时，增大进入高温固体氧化物电解水制氢系统的高温氦气的流量和蒸汽的流量，减小氦气轮机(2)和蒸汽轮机(401)分别连接的第一发电机(3)和第二发电机(402)的发电量。
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