CN113914951B - 一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统及运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统及运行方法，该系统将压缩空气储能系统与核电系统耦合，主要通过蒸汽发生器、第一换热器和第二换热器实现能量的交换和转移，压缩空气储能系统驱动压缩机的电能来自于核电系统，通过改变储气压力从而改变储存的电量；透平膨胀做功的发电可以与核电系统共同并入电网，在保证核电机组以额定负荷安全运行的前提下，实现核电厂全梯度调峰。
Description
技术领域
本发明属于压缩空气储能领域，具体涉及一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统及运行方法。
背景技术
核电作为清洁能源的一种，具有体积小、容量大等优点，可以有效代替煤、石油等化石能源，更为环保。目前，核电已经受到越来越多的关注，并且我国也在大力发展核电。核电因受技术和安全因素的限制，核电机组无法频繁变动负荷，只能按照基本负荷运行。核电机组功率调节过程中(以降功率为例)，由于控制棒向下调节，反应堆内轴向核功率的变化与氙毒的变化呈相反趋势，产生核功率的轴向偏差。伴随着氙毒的衰变和控制棒档位变化，轴向核功率偏差不断发生变化，导致轴向核功率振荡。核功率振荡导致核燃料包壳应力不均衡，部分部位核功率过高使反应堆包壳与水发生反应，造成放射性物质泄漏至一回路。在核燃料寿期末，轴向核功率偏差的振荡更加难以控制，在核燃料寿期末应避免功率的大幅调整。由于核燃料芯块与包壳的热膨胀系数不同，核电机组负荷变化时，包壳局部可能产生超过材料应力极限的现象。核燃料芯块与燃料包壳的相互作用容易导致燃料包壳的损坏。对于频繁的负荷变化，由于包壳应力频繁变化，可能导致包壳局部疲劳破损。
核电的快速发展一方面带动了相关行业的发展，提供了更多可靠的清洁电力；另一方面，由于近些年可再生能源发电在电力系统的比例不断提高，对电网及其他电源的运行灵活性提出了更高要求，因此在电力需求放缓形势下，核电保持额定功率运行增大了部分核电装机大省电网调峰难度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统及运行方法，以解决现有技术中核电难以调峰的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统，包括：反应堆冷却剂泵、蒸汽发生器、第一换热器和第二换热器；
所述反应剂冷却剂泵的输出端连接有核反应堆，所述核反应堆的输出端和蒸汽发生器的热侧入口连接，蒸汽发生器的热侧出口和第一换热器的热侧入口连接，第一换热器的热侧出口和反应堆冷却剂泵的入口连接；
蒸汽发生器的蒸汽输出管路和汽轮机组的蒸汽入口连接，汽轮机组的乏汽出口连接有凝汽器，凝汽器的凝结水出口连接有低压加热器，低压加热器的出口连接有除氧器，除氧器的出口和第二换热器的冷侧入口连接，第二换热器的冷侧出口连接有高压加热器的进口，高压加热器的出口和蒸汽发生器的凝结水入口连接；
第二换热器的热侧入口连接有压气机组的空气出口，第二换热器的热侧出口连接有储气库的气体进口，储气库的气体出口和第一换热器的冷侧入口连接，第一换热器的冷侧出口连接有透平机组的气体入口；
透平机组的动力输出轴连接有第二发动机，汽轮机组的动力输出轴连接有第一发电机。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述凝汽器和低压加热器之间设置有凝结水泵。
优选的，所述除氧器的出口和第二换热器的冷侧入口连接管路上设置有给水泵。
优选的，所述压气机组由发动机提供动能。
优选的，所述第二换热器的热侧出口和储气库的气体进口连接管路上设置有电动截止阀；所述储气库的气体出口和第一换热器的冷侧入口连接管路上设置有电动节流阀。
优选的，所述汽轮机组包括依次连接的高压缸、中压缸和低压缸；
蒸汽发生器的蒸汽输出管路和高压缸的蒸汽入口连接，高压缸的蒸汽输出管路和中压缸的蒸汽入口连接，中压缸的蒸汽输出管路和低压缸的蒸汽入口连接，低压缸的乏汽输出管路连接和凝汽器连接。
优选的，所述高压缸的蒸汽输出管路上设置有分支，所述分支和高压加热器连通。
优选的，所述中压缸的蒸汽输出管路上设置有分支，所述分支和除氧器连通。
优选的，所述低压缸的乏汽输出管路上设置有分支，所述分支和低压加热器连通。
一种上述的基于压缩空气储能的核电厂调峰系统的运行方法，核电系统额定功率运行时，发电的过程为反应堆冷却剂泵驱动反应堆冷却剂进入反应堆，反应堆冷却剂将反应堆的热量带入至蒸汽发生器，蒸汽发生器内将凝结水加热为蒸汽，蒸汽驱动汽轮机组做功，汽轮机组带动第一发电机发电，汽轮机组做功后的乏汽进入凝汽器，凝汽器将蒸汽冷凝成为冷凝水后，冷凝水进入蒸汽发生器；
当用电负荷降低时，核电系统多余的电量驱动压气机运行，压气机将空气压缩后形成压缩空气，压缩空气在第二换热器被冷却后，进入储气库储存；
当用电负荷增加时，储气库的空气进入第一换热器被加热升温后形成高温高压空气，高温高压空气进入透平膨胀做功，透平驱动第二发电机发电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统，该系统将压缩空气储能系统与核电系统耦合，主要通过蒸汽发生器、第一换热器和第二换热器实现能量的交换和转移，压缩空气储能系统驱动压缩机的电能来自于核电系统，通过改变储气压力从而改变储存的电量；透平膨胀做功的发电可以与核电系统共同并入电网，在保证核电机组以额定负荷安全运行的前提下，实现核电厂全梯度调峰。本发明利用压缩空气储能系统中压气机出口的高压高温空气进入第二换热器加热给水，提高了给水温度，一方面减小了高压加热器内的换热温差，降低了换热过程中的不可逆损失，提高机组的能量效率，另一方面，回收了压缩空气储能系统的压缩热，减小了热量的浪费。反应堆冷却剂从蒸汽发生器出来后仍具有较高温度，因此进入第一换热器加热压缩空气储能系统释能阶段的高压空气，实现了能系统反应堆冷却剂余热的合理利用。压缩空气储能系统采用反应堆冷却剂的余热作为释能阶段加热高压空气的热源，相比于传统压缩空气储能系统而言，避免了化石燃料的投入，更加环保、经济。
本发明还公开了一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统的运行方法，该方法通过压缩空气储能系统与核电系统的储能交换，通过改变储气压力从而改变储存的电量。
附图说明
图1为本发明一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统。
图1中：1、反应堆冷却剂泵；2、核反应堆；3、蒸汽发生器：4、第一换热器：5、高压缸：6、中压缸：7、低压缸：8、凝汽器：9、凝结水泵：10、低压加热器：11、除氧器：12、给水泵；13、第二换热器；14、高压加热器：15、压气机组：16、电动截止阀：17、储气库；18、电动节流阀：19、透平机组：20、第一发电机：21、第二发电机：22、电动机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明通过以下技术方案来实现：一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统主要包括核电系统、压缩空气储能系统以及热交换系统。
如图1所示，一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统由反应堆冷却剂泵1、核反应堆2、蒸汽发生器3、第一换热器4、高压缸5、中压缸6、低压缸7、凝汽器8、凝结水泵9、低压加热器10、除氧器11、给水泵12、第二换热器13、高压加热器14、压气机组15、电动截止阀16、储气库17、电动节流阀18、透平机组19、第一发电机20、第二发电机21、电动机22组成。
更为具体的，核电系统中通过蒸汽发生器3将一回路和二回路相连接。核电系统一回路主要包括核反应堆2、反应堆冷却剂泵1、蒸汽发生器3和第一换热器4。反应堆冷却剂泵1的出口和核反应堆2的入口连接，核反应堆2的出口和蒸汽发生器3的热侧入口连接，蒸汽发生器3的热侧出口和第一换热器4的热侧入口连接，第一换热器4的热侧出口和反应堆冷却剂泵1的入口连接。
压水堆中采用轻水作为冷却剂，反应堆冷却剂泵1驱动冷却剂进入反应堆换热，随后冷却剂进入蒸汽发生器3，与二回路中的给水换热后，进入第一换热器4，再返回反应堆中。第一换热器4采用板式换热器，材料为耐硼酸腐蚀材料，可以选用304L不锈钢。其中第一换热器4位于蒸汽发生器后，目的是利用核反应堆冷却剂的余热加热压缩空气储能系统中释能阶段中的高压低温空气，提高其做功能力。
核电系统二回路主要包括汽轮机组、凝汽器8、凝结水泵9、低压加热器10、除氧器11、给水泵12、第二换热器13、高压加热器14和第一发电机20。汽轮机组包括依次顺着蒸汽方向依次设置的高压缸5、中压缸6和低压缸7。
蒸汽发生器3的蒸汽输出管路连接高压缸5，高压缸5的蒸汽输出管路连接至中压缸6，中压缸6的蒸汽输出管路连接至低压缸7，低压缸7的蒸汽输出管路连接至凝汽器8，蒸汽在凝汽器8中被冷却成为凝结水后，凝结水通过能接水泵9流入低压加热器10中，低压加热器10的出口和除氧器11的进口连接，除氧器11的出口和给水泵12的进口连接，给水泵12的出口和第二换热器13的冷侧入口连接，第二换热器13的冷侧出口和高压加热器14的进口连接，高压加热器14的出口和蒸汽发生器3的凝结水入口连接，凝结水在蒸汽发生器3中被加热成蒸汽，进入汽轮机组中膨胀做功，驱动第一发电机29发电。
高压缸5的输出至中压缸6的蒸汽输出管路设置有分支将蒸汽引入高压加热器14，中压缸6输出至低压缸7的蒸汽输出管路设置有分支将正气引入至除氧器11中，低压缸7输出至凝汽器8的蒸汽输出管路设置有分支将蒸汽引入低压加热器单元10。以提高蒸汽余热利用率。
汽轮机组中高压缸5、中压缸6和低压缸7的动力输出轴同轴，共同驱动第一发电机29发电。
压缩系统包括压气机组15、第二换热器13、储气库17和透平机组19。压气机组15和电动机22连接，被电动机22驱动。压气机组15将空气引入，压缩空气后，气体出口和第二换热器13的热侧入口通过管道连通，第二换热器13的热侧出口与储气库17的进口通过管道连通，该连通管道上设置有电动截止阀16；第二换热器13的冷侧入口与给水泵12出口连通，冷侧出口与高压加热器14单元入口连通。储气库17的出口和第一换热器4的冷侧入口连接，储气库17的出口和第一换热器4的冷侧连接管路上设置有电动节流阀18，第一换热器4的冷侧出口和透平机组19连接，透平机组19的动力输出端和第二发电机21连接。
压缩空气储能系统中储能阶段，空气经压气机压缩后进入第二换热器13，在第二换热器13被冷却后进入储气库17；释能阶段，来自储气库17的高压低温空气经节流阀节流后进入第一换热器，随后进入透平膨胀做功，驱动第二发电机发电。
核电系统一回路中，反应堆冷却剂泵1驱动反应堆冷却剂进入反应堆2，反应堆冷却剂带走核反应堆2中的大部分热量后依次进入蒸汽发生器3、第一换热器4，随后返回反应堆冷却剂泵1，完成核电系统的一回路循环。
核电系统二回路中，从蒸汽发生器3中出来的蒸汽依次进入汽轮机高压缸5、中压缸6、低压缸7膨胀做功，带动第一发电机20发电。低压缸7的排汽进入凝汽器8冷凝后，依次经过凝结水泵9、低压加热器10，之后经过除氧器11、给水泵12后，进入第二换热器13冷侧、高压加热器14后，返回蒸汽发生器3，完成核电系统二回路循环，其中，高压缸5的抽汽引入高压加热器14，低压缸7的抽汽引入低压加热器10，中压缸6的抽汽引入除氧器11。
在核电厂需要降负荷时，核电系统保持额定功率运行，启动压缩空气储能系统的储能模式。在满足电网要求负荷后，核电系统多余的电能带动电动机22，电动机22驱动压气机15压缩空气，此时电动截止阀16开启。压气机15出口的高压高温空气进入第二换热器13热侧加热给水，随后进入储气库17进行储存。在核电系统调峰结束后，关闭压气机15和电动截止阀16，完成压缩空气储能系统储能过程。
在核电厂需要升负荷时，核电系统保持额定功率运行，启动压缩空气储能系统的释能模式。开启电动节流阀18，来自储气库17的高压空气经过电动节流阀18节流后，进入第一换热器4加热升温，之后进入透平19膨胀做功，带动第二发电机发电，完成压缩空气储能系统释能过程。
与现有的压缩空气储能系统相比，本发明系统中的压缩空气储能系统相比无需化石燃料的投入，也避免了高成本蓄热设备的使用，同时利用储能阶段的压缩热加热核电系统二回路中的给水，回收了部分压缩热，实现了能量的合理利用。
与传统的核电厂调峰方式相比，本发明将压缩空气储能系统与核电系统耦合，在保证核电厂以额定功率安全运行的前提下，通过压缩空气储能系统的储能模式和释能模式来实现核电厂全梯度调峰，在增大核电厂调峰范围的同时也保证了核电厂的安全运行。
本发明系统将压缩空气储能系统释能阶段气体吸热膨胀与反应堆冷却剂余热利用结合，保证了压缩空气储能系统的高效释能。
基于压缩空气储能的核电厂调峰系统的运行方法，具体如下：
核电厂由于安全因素一般以额定负荷运行，在用电低谷时，核电厂除了满足电网要求的负荷电量，多余的电量驱动压气机组15工作压缩空气，将高压空气储存在储气库17中，压缩空气期间产生的压缩热用于加热二回路中的给水；
用电高峰期，启动压缩空气储能系统释能调峰进行调峰，核电系统一回路中的核反应堆冷却剂在蒸汽发生器中加热给水后，进入第一换热器，加热高压空气后返回核反应堆，高压空气加热后进入透平做功后驱动第二发电机发电，做功后的空气排至大气；给水经加热成为高压高温蒸汽后进入汽轮机组做功驱动第一发电机发电，随后依次进入凝汽器、凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵、第二换热器、高压加热器后，返回蒸汽发生器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统，其特征在于，包括：反应堆冷却剂泵（1）、蒸汽发生器（3）、第一换热器（4）和第二换热器（13）；
所述反应堆冷却剂泵（1）的输出端连接有核反应堆（2），所述核反应堆（2）的输出端和蒸汽发生器（3）的热侧入口连接，蒸汽发生器（3）的热侧出口和第一换热器（4）的热侧入口连接，第一换热器（4）的热侧出口和反应堆冷却剂泵（1）的入口连接；
蒸汽发生器（3）的蒸汽输出管路和汽轮机组的蒸汽入口连接，汽轮机组的乏汽出口连接有凝汽器（8），凝汽器（8）的凝结水出口连接有低压加热器（10），低压加热器（10）的出口连接有除氧器（11），除氧器（11）的出口和第二换热器（13）的冷侧入口连接，第二换热器（13）的冷侧出口连接有高压加热器（14）的进口，高压加热器（14）的出口和蒸汽发生器（3）的凝结水入口连接；
第二换热器（13）的热侧入口连接有压气机组（15）的空气出口，第二换热器（13）的热侧出口连接有储气库（17）的气体进口，储气库（17）的气体出口和第一换热器（4）的冷侧入口连接，第一换热器（4）的冷侧出口连接有透平机组（19）的气体入口；
透平机组（19）的动力输出轴连接有第二发电机（21），汽轮机组的动力输出轴连接有第一发电机（20）。
2.根据权利要求1所述的一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统，其特征在于，所述凝汽器（8）和低压加热器（10）之间设置有凝结水泵（9）。
3.根据权利要求1所述的一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统，其特征在于，所述除氧器（11）的出口和第二换热器（13）的冷侧入口连接管路上设置有给水泵（12）。
4.根据权利要求1所述的一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统，其特征在于，所述压气机组（15）由电动机（22）提供动能。
5.根据权利要求1所述的一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统，其特征在于，所述第二换热器（13）的热侧出口和储气库（17）的气体进口连接管路上设置有电动截止阀（16）；所述储气库（17）的气体出口和第一换热器（4）的冷侧入口连接管路上设置有电动节流阀（18）。
6.根据权利要求1所述的一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统，其特征在于，所述汽轮机组包括依次连接的高压缸（5）、中压缸（6）和低压缸（7）；
蒸汽发生器（3）的蒸汽输出管路和高压缸（5）的蒸汽入口连接，高压缸（5）的蒸汽输出管路和中压缸（6）的蒸汽入口连接，中压缸（6）的蒸汽输出管路和低压缸（7）的蒸汽入口连接，低压缸（7）的乏汽输出管路连接和凝汽器（8）连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统，其特征在于，所述高压缸（5）的蒸汽输出管路上设置有分支，所述分支和高压加热器（14）连通。
8.根据权利要求6所述的一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统，其特征在于，所述中压缸（6）的蒸汽输出管路上设置有分支，所述分支和除氧器（11）连通。
9.根据权利要求6所述的一种基于压缩空气储能的核电厂调峰系统，其特征在于，所述低压缸（7）的乏汽输出管路上设置有分支，所述分支和低压加热器（10）连通。
10.一种权利要求1所述的基于压缩空气储能的核电厂调峰系统的运行方法，其特征在于，核电系统额定功率运行时，发电的过程为反应堆冷却剂泵（1）驱动反应堆冷却剂进入反应堆（2），反应堆冷却剂将反应堆（2）的热量带入至蒸汽发生器（3），蒸汽发生器（3）内将凝结水加热为蒸汽，蒸汽驱动汽轮机组做功，汽轮机组带动第一发电机（20）发电，汽轮机组做功后的乏汽进入凝汽器（8），凝汽器（8）将蒸汽冷凝成为冷凝水后，冷凝水进入蒸汽发生器（3）；
当用电负荷降低时，核电系统多余的电量驱动压气机组（15）运行，压气机组（15）将空气压缩后形成压缩空气，压缩空气在第二换热器（13）被冷却后，进入储气库（17）储存；
当用电负荷增加时，储气库（17）的空气进入第一换热器（4）被加热升温后形成高温高压空气，高温高压空气进入透平机组（19）膨胀做功，透平机组（19）驱动第二发电机（21）发电。
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