CN114005562A - 多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统及方法 - Google Patents

多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统及方法，该系统包括预冷器、压缩机、高温回热器、高温主换热器、高温透平、高温流量调节阀、中温回热器、中温主换热器、中温透平、中温流量调节阀、低温回热器、低温主换热器、低温透平、低温流量调节阀、发电机和反应堆。本发明提出了包含高温循环回路、中温循环回路和低温循环回路的多级分流超临界二氧化碳循环发电系统，实现铅铋回路不同温度区间热量的高效梯级利用，解决了超临界二氧化碳动力循环的吸热温度与液态金属铅铋的换热窗口匹配度较差的问题。该系统还通过不同温度回路的流量分配调节，确保超临界二氧化碳铅铋堆系统变工况条件下的热量高效梯级利用，实现高效灵活发电。

Description

多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统及方法
技术领域
本发明涉及高效核能发电技术领域，特别涉及一种多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统及方法。
背景技术
第四代核电技术有着防止核扩散，具有更好的经济性，安全性高和废物产生量少等特征，受到了越来越多的关注，但是同时较高的热源温度对动力循环和工质也提出了更高的新的要求。铅冷快堆(LFR)是第四代反应堆系统极具发展潜力的堆型之一，具有反应堆设计紧凑且体积小、导热性能好、热效率高、功率大、可自然循环且噪音小等优点，非常适合核动力潜艇、航母等对小体积、高功率、高灵活性有特别需要的平台，也可满足其他多重环境中的有高效、灵活等复杂用电需求的平台。
超临界二氧化碳循环发电技术以二氧化碳为工质，采用真实气体闭式布雷顿循环方式发电，彻底改变了传统热力发电技术140多年来以水和蒸汽为工质、采用朗肯循环的发电方式。与传统发电技术相比，超临界二氧化碳循环发电技术具有效率高、灵活性好、适用性广、设备和系统体积小等优势，是热力发电领域具有划时代意义的变革性高效低碳发电技术。
因此，超临界二氧化碳布雷顿循环被广泛认为是第四代先进核电系统的理想发电循环。超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统具有设备紧凑、热功转换效率高、灵活性强等优势，其循环特性与铅冷堆紧凑、高效、灵活的应用需求高度吻合，被认为是铅冷堆的理想动力循环。
超临界二氧化碳铅铋堆发电系统中，液态金属铅铋回路和超临界二氧化碳动力循环是通过铅铋-超临界二氧化碳换热器进行换热的，两者换热温度窗口的良好匹配，是实现整个发电系统高效的关键所在。为了降低铅铋磨损并尽可能降低铅铋泵的容量和功耗，铅铋回路设计时通常会对流速和流量都有所限制，这使得铅铋在主换热器内的放热温度区间通常较大。以目前我国某铅铋堆的设计为例，铅铋在主换热器内的放热温度区间大约为500℃～270℃。而对于超临界二氧化碳布雷顿循环而言，其无极全流量近等温回热的特点决定了整个动力循环的平均吸热温度较高，吸热温度窗口较窄，以目前公认效率较高的分流再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环而言，其在主换热器内的温升通常约为100℃左右。这就使得超临界二氧化碳动力循环的吸热温度与液态金属铅铋的换热窗口匹配度较差，铅铋回路得不到充分冷却，较低温度区间的热量无法得以充分利用，严重影响系统整体发电效率。
但是从公开的文献资料可知，虽然目前已有部分关于铅铋堆超临界二氧化碳发电系统的研究，但是如何解决超临界二氧化碳动力循环的吸热温度与液态金属铅铋的换热窗口匹配度较差的问题，鲜有见到。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统及方法，本发明提出了包含高温循环回路、中温循环回路和低温循环回路的多级分流超临界二氧化碳循环发电系统，通过该发电系统中的高温主换热器、中温主换热器和低温主换热器，实现了铅铋回路不同温度区间热量的高效梯级利用，有效解决了超临界二氧化碳动力循环的吸热温度与液态金属铅铋的换热窗口匹配度较差的问题。此外，该系统还可通过不同温度回路的流量分配调节，确保超临界二氧化碳铅铋堆系统变工况条件下的热量高效梯级利用，实现高效灵活发电。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统，其特征在于，包括一回路和二回路；所述一回路为反应堆16与高温主换热器4、中温主换热器8和低温主换热器12热侧相连接构成的回路；所述二回路为超临界二氧化碳高效双循环动力系统，具体包括高温循环回路、中温循环回路和低温循环回路。其中高温循环回路包括高温回热器3、高温主换热器4、高温透平5、高温流量调节阀6，中温循环回路包括中温回热器7、中温主换热器8、中温透平9和中温流量调节阀10，低温循环回路包括中低温回热器11、低温主换热器12、低温透平13和低温流量调节阀14。所述二回路还包括预冷器1、压缩机2和发电机15。
所述一回路的高温主换热器4热侧出口与中温主换热器8热侧入口连通，中温主换热器8热侧出口与低温主换热器12热侧入口连通。
所述二回路的预冷器1热侧出口与压缩机2入口连通，压缩机2出口分流成三路，分别连接高温循环回路中高温回热器3冷侧入口、中温循环回路中温回热器7冷侧入口和低温循环回路中低温回热器11冷侧入口；高温回热器3冷侧出口与高温主换热器4冷侧入口连通，高温主换热器4冷侧出口依次经高温透平5、高温回热器3热侧与高温流量调节阀6入口连通；中温回热器7冷侧出口与中温主换热器8冷侧入口连通，中温主换热器8冷侧出口依次经中温透平9、中温回热器7热侧与中温流量调节阀10入口连通；低温回热器11冷侧出口与低温主换热器12冷侧入口连通，低温主换热器12冷侧出口依次经低温透平13、低温回热器11热侧与低温流量调节阀14入口连通。高温流量调节阀6出口、中温流量调节阀10出口和低温流量调节阀14出口汇合后与预冷器1热侧入口连通。至此，二回路构成了完整的闭式多级分流的超临界二氧化碳动力循环。
所述高温透平5、中温透平9、低温透平13、压缩机2和发电机15同轴布置。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统及方法，提出了包含高温循环回路、中温循环回路和低温循环回路的多级分流超临界二氧化碳循环发电系统，通过该发电系统中的高温主换热器4、中温主换热器8和低温主换热器12，实现了铅铋回路不同温度区间热量的高效梯级利用，有效解决了超临界二氧化碳动力循环的吸热温度与液态金属铅铋的换热窗口匹配度较差的问题。此外，该系统还可通过不同温度回路的流量分配调节，确保超临界二氧化碳铅铋堆系统变工况条件下的热量高效梯级利用，实现高效灵活发电。
附图说明
图1为本发明的整体系统图。
其中，1为预冷器、2为压缩机、3为高温回热器、4为高温主换热器、5为高温透平、6为高温流量调节阀、7为中温回热器、8为中温主换热器、9为中温透平、10为中温流量调节阀、11为低温回热器、12为低温主换热器、13为低温透平、14为低温流量调节阀、15为发电机、16为反应堆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统，包括预冷器1、压缩机2、高温回热器3、高温主换热器4、高温透平5、高温流量调节阀6、中温回热器7、中温主换热器8、中温透平9、中温流量调节阀10、低温回热器11、低温主换热器12、低温透平13、低温流量调节阀14、发电机15和反应堆16。
其中，反应堆16与高温主换热器4、中温主换热器8和低温主换热器12热侧相连接构成一回路；高温循环回路、中温循环回路和低温循环回路构成二回路，二回路为超临界二氧化碳高效双循环动力系统。其中高温循环回路包括高温回热器3、高温主换热器4、高温透平5、高温流量调节阀6，中温循环回路包括中温回热器7、中温主换热器8、中温透平9和中温流量调节阀10，低温循环回路包括中低温回热器11、低温主换热器12、低温透平13和低温流量调节阀14。所述二回路还包括预冷器1、压缩机2和发电机15。
一回路的高温主换热器4热侧出口与中温主换热器8热侧入口连通，中温主换热器8热侧出口与低温主换热器12热侧入口连通。
二回路的预冷器1热侧出口与压缩机2入口连通，压缩机2出口分流成三路，分别连接高温循环回路中高温回热器3冷侧入口、中温循环回路中温回热器7冷侧入口和低温循环回路中低温回热器11冷侧入口。高温回热器3冷侧出口与高温主换热器4冷侧入口连通，高温主换热器4冷侧出口依次经高温透平5、高温回热器3热侧与高温流量调节阀6入口连通；中温回热器7冷侧出口与中温主换热器8冷侧入口连通，中温主换热器8冷侧出口依次经中温透平9、中温回热器7热侧与中温流量调节阀10入口连通；低温回热器11冷侧出口与低温主换热器12冷侧入口连通，低温主换热器12冷侧出口依次经低温透平13、低温回热器11热侧与低温流量调节阀14入口连通。高温流量调节阀6出口、中温流量调节阀10出口和低温流量调节阀14出口汇合后与预冷器1热侧入口连通。至此，二回路构成了完整的闭式多级分流的超临界二氧化碳动力循环。
高温透平5、中温透平9、低温透平13、压缩机2和发电机15同轴布置。
作为本发明的优选实施方式，所述预冷器1、高温回热器3、高温主换热器4、中温回热器7、中温主换热器8、低温回热器11、低温主换热器12采用印刷电路板式换热器(PCHE)，以实现超临界二氧化碳布雷顿循环大换热量条件下换热器的紧凑、高效和低阻；所述压缩机2工作在二氧化碳的临界点附近，以保证超临界二氧化碳布雷顿循环拥有较高的循环效率。所述高温主换热器4、中温主换热器8和低温主换热器12位于反应堆16内，实现了超临界二氧化碳直接入堆。
本发明的具体工作过程为：
一回路的反应堆16中高温铅铋依次流经高温主换热器4热侧、中温主换热器8热侧和低温主换热器12热侧，将不同温度区间的热量分别传递给二回路的高温循环回路、中温循环回路和低温循环回路。
二回路中，预冷器1冷却后的超临界二氧化碳工质进入压缩机2升压，升压后的工质被分为三路：一路进入高温循环回路，在高温回热器3冷侧被加热后进入高温主换热器4冷侧继续升温，随后进入高温透平5膨胀做功，乏气经过高温回热器3热侧和高温流量调节阀6流至汇合点；另一路进入中温循环回路，在中温回热器7冷侧被加热后进入中温主换热器8冷侧继续升温，随后进入中温透平9膨胀做功，乏气经过中温回热器7热侧和中温流量调节阀10流至汇合点；第三路进入低温循环回路，在低温回热器11冷侧被加热后进入低温主换热器12冷侧继续升温，随后进入低温透平13膨胀做功，乏气经过低温回热器11热侧和低温流量调节阀14流至汇合点。汇合后的工质进入预冷器热侧进行冷却。
二回路中通过高温流量调节阀6、中温流量调节阀10和低温流量调节阀14可实现不同高温循环回路、中温循环回路和低温循环回路流量分配比例的灵活调节。
采用上述具体操作时，通过该发电系统中的高温主换热器、中温主换热器和低温主换热器，实现了铅铋回路不同温度区间热量的高效梯级利用，有效解决了超临界二氧化碳动力循环的吸热温度与液态金属铅铋的换热窗口匹配度较差的问题。此外，该系统还可通过不同温度回路的流量分配调节，确保超临界二氧化碳铅铋堆系统变工况条件下的热量高效梯级利用，实现高效灵活发电。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统，其特征在于，包括一回路和二回路；所述一回路为反应堆(16)与高温主换热器(4)、中温主换热器(8)和低温主换热器(12)热侧相连接构成的回路；所述二回路为超临界二氧化碳高效双循环动力系统，具体包括高温循环回路、中温循环回路和低温循环回路；其中高温循环回路包括高温回热器(3)、高温主换热器(4)、高温透平(5)、高温流量调节阀(6)，中温循环回路包括中温回热器(7)、中温主换热器(8)、中温透平(9)和中温流量调节阀(10)，低温循环回路包括中低温回热器(11)、低温主换热器(12)、低温透平(13)和低温流量调节阀(14)；所述二回路还包括预冷器(1)、压缩机(2)和发电机(15)；
所述一回路的高温主换热器(4)热侧出口与中温主换热器(8)热侧入口连通，中温主换热器(8)热侧出口与低温主换热器(12)热侧入口连通；
所述二回路的预冷器(1)热侧出口与压缩机(2)入口连通，压缩机(2)出口分流成三路，分别连接高温循环回路中高温回热器(3)冷侧入口、中温循环回路中温回热器(7)冷侧入口和低温循环回路中低温回热器(11)冷侧入口；高温回热器(3)冷侧出口与高温主换热器(4)冷侧入口连通，高温主换热器(4)冷侧出口依次经高温透平(5)、高温回热器(3)热侧与高温流量调节阀(6)入口连通；中温回热器(7)冷侧出口与中温主换热器(8)冷侧入口连通，中温主换热器(8)冷侧出口依次经中温透平(9)、中温回热器(7)热侧与中温流量调节阀(10)入口连通；低温回热器(11)冷侧出口与低温主换热器(12)冷侧入口连通，低温主换热器(12)冷侧出口依次经低温透平(13)、低温回热器(11)热侧与低温流量调节阀(14)入口连通；高温流量调节阀(6)出口、中温流量调节阀(10)出口和低温流量调节阀(14)出口汇合后与预冷器(1)热侧入口连通，至此，二回路构成了完整的闭式多级分流的超临界二氧化碳动力循环。
2.根据权利要求1所述的一种多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统，其特征在于：所述高温透平(5)、中温透平(9)、低温透平(13)、压缩机(2)和发电机(15)同轴布置。
3.根据权利要求1所述的一种多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统，其特征在于：所述预冷器1、高温回热器3、高温主换热器4、中温回热器7、中温主换热器8、低温回热器11、低温主换热器12采用印刷电路板式换热器。
4.根据权利要求1所述的一种多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统，其特征在于：所述压缩机2工作在二氧化碳的临界点附近，以保证超临界二氧化碳布雷顿循环拥有较高的循环效率。
5.根据权利要求1所述的一种多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统，其特征在于：所述高温主换热器(4)、中温主换热器(8)和低温主换热器(12)位于反应堆(16)内。
6.权利要求1至5任一项所述的一种多级分流的灵活高效超临界二氧化碳铅铋堆系统的工作方法，其特征在于：一回路的反应堆(16)中高温铅铋依次流经高温主换热器(4)热侧、中温主换热器(8)热侧和低温主换热器(12)热侧，将不同温度区间的热量分别传递给二回路的高温循环回路、中温循环回路和低温循环回路；
二回路中，预冷器(1)冷却后的超临界二氧化碳工质进入压缩机(2)升压，升压后的工质被分为三路：一路进入高温循环回路，在高温回热器(3)冷侧被加热后进入高温主换热器(4)冷侧继续升温，随后进入高温透平(5)膨胀做功，乏气经过高温回热器(3)热侧和高温流量调节阀(6)流至汇合点；另一路进入中温循环回路，在中温回热器(7)冷侧被加热后进入中温主换热器(8)冷侧继续升温，随后进入中温透平(9)膨胀做功，乏气经过中温回热器(7)热侧和中温流量调节阀(10)流至汇合点；第三路进入低温循环回路，在低温回热器(11)冷侧被加热后进入低温主换热器(12)冷侧继续升温，随后进入低温透平(13)膨胀做功，乏气经过低温回热器(11)热侧和低温流量调节阀(14)流至汇合点；
汇合后的工质进入预冷器热侧进行冷却。
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