CN114481163A - 一种高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，蒸汽发生器的蒸汽出口与蒸汽过热器的蒸汽进口连接；蒸汽过热器的蒸汽出口分为两路，其中，一路与汽轮机的进汽口连接，另一路经控制阀与电解制氢装置的蒸汽进汽口连接；汽轮机的输出轴与发电机的驱动轴连接，汽轮机的出汽口与除氧器的入口连接，除氧器的出口与蒸汽发生器的蒸汽入口连接；电解制氢装置的出水口与除氧器的入口连接，其中，电解制氢装置的电源接口与发电机连接，该系统能够实现高温气冷堆直接制氢。
Description
技术领域
本发明属于高温气冷堆技术领域，涉及一种高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统。
背景技术
随着我国核电事业的发展，高温气冷堆有可能成为今后主要实施的先进堆型。目前高温气冷堆的堆芯出口温度已高达950℃，不仅可用于高效发电，还可用于提供高温工艺热，其中最具前景的热利用方式是制氢。氢能是21世纪最有发展潜力的燃料和能量载体，具有发热值高、清洁无污染的优点，在国民生产各个领域中都有非常广泛的应用，因此高温气冷堆用于制氢具有良好的发展前景和独特优势。氢是重要的工业原料，也是未来理想的二次能源或能源载体；氢作为二次能源便于储存和运输，且可以直接作为燃料使用。目前的制氢工艺主要是化石燃料制氢和水电解制氢，化石燃料制氢消耗大量化石能源、产生大量二氧化碳，不适应未来社会发展的需求，而水电解制氢是完全清洁的制氢方式，具有产品纯度高、操作简便的特点，因此水电解与高效清洁一次能源耦合制氢是理想的大规模制氢技术，如果能够利用高温气冷堆直接制氢将有效解决上述问题，但是现有技术中并没有给出类似的公开。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，该系统能够实现高温气冷堆直接制氢。
为达到上述目的，本发明所述的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统包括主氦风机、反应堆、蒸汽发生器、蒸汽过热器、电解制氢装置、汽轮机、发电机及除氧器；
所述主氦风机的氦气出口与反应堆的氦气入口连接，反应堆的氦气出口与蒸汽发生器的氦气入口连接，蒸汽发生器的氦气出口与主氦风机的氦气入口相连通；
蒸汽发生器的蒸汽出口与蒸汽过热器的蒸汽进口连接；蒸汽过热器的蒸汽出口分为两路，其中，一路与汽轮机的进汽口连接，另一路经控制阀与电解制氢装置的蒸汽进汽口连接；汽轮机的输出轴与发电机的驱动轴连接，汽轮机的出汽口与除氧器的入口连接，除氧器的出口与蒸汽发生器的蒸汽入口连接；
电解制氢装置的出水口与除氧器的入口连接，其中，电解制氢装置的电源接口与发电机连接。
还包括氦气流量控制系统及氦风机变频器；所述氦风机变频器与氦气流量控制系统连接，氦气流量控制系统与主氦风机连接。
汽轮机的出汽口经凝汽器、凝水泵、轴封冷却器及低压给水加热器与除氧器的入口连接。
除氧器的出口经给水泵及高压给水加热器与蒸汽发生器的蒸汽入口连接。
还包括热氦温度控制系统及反应堆功率控制系统；反应堆与热氦温度控制系统及反应堆功率控制系统相连接。
还包括大气排放控制系统；蒸汽发生器的蒸汽出口处设有大气排放阀，大气排放阀与大气排放控制系统连接。
还包括汽轮机控制系统；蒸汽过热器与汽轮机之间设有汽轮机进气调节阀，汽轮机进气调节阀与汽轮机控制系统连接。
还包括蒸汽压力控制系统及给水流量控制器；蒸汽压力控制系统经给水流量控制器与给水泵连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统在具体操作时，将核能制氢工艺与蒸汽循环发电很好地耦合起来，即将蒸汽过热器4输出的蒸汽分出一路送入电解制氢装置中电解制氢，然后将电解制氢装置的排水送入除氧器中，电解制氢装置工作时所用电能通过发电机提供，以实现高温气冷堆直接制氢。另外，核能发电及蒸汽电解制氢均为清洁生产方式，不会造成空气污染，实现了氢电联产模式，具有热利用率高、制氢成本低、蒸汽循环效率高等特点，具有很高的经济价值及良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为主氦风机、2为反应堆、3为蒸汽发生器、4为蒸汽过热器、5为电解制氢装置、6为汽轮机、7为发电机、8为凝汽器、9为凝水泵、10为轴封冷却器、11为低压给水加热器、12为除氧器、13为给水泵、14为高压给水加热器、15为氦风机变频器、16为氦气流量控制系统、17为控制阀、18为热氦温度控制系统、19为反应堆功率控制系统、20为大气排放阀、21为大气排放控制系统、22为汽轮机进气调节阀、23为汽轮机控制系统、24为给水流量控制器、25为蒸汽压力控制系统。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明所述的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统包括主氦风机1、反应堆2、蒸汽发生器3、蒸汽过热器4、电解制氢装置5、汽轮机6、发电机7、凝汽器8、凝水泵9、轴封冷却器10、低压给水加热器11、除氧器12、给水泵13及高压给水加热器14；
所述主氦风机1的氦气出口与反应堆2的氦气入口连接，所述氦风机变频器15与氦气流量控制系统16连接，氦气流量控制系统16与主氦风机1连接；氦气流量控制系统16根据主氦风机1出口处氦气流量测量值与氦气流量给定值的偏差生成转速前馈信号，然后根据转速前馈信号通过氦风机变频器15控制主氦风机1，以调节主氦风机1处的氦气流量，继而改变堆芯燃料元件与氦气之间的换热系数，使得两者之间的换热量发生变化，进而改变燃料元件的温度，燃料元件温度变化通过温度反应性负反馈改变中子通量，进而实现高温堆功率控制。
反应堆2的氦气出口与蒸汽发生器3的氦气入口连接，蒸汽发生器3的氦气出口与主氦风机1的氦气入口相连通；
蒸汽发生器3的蒸汽出口与蒸汽过热器4的蒸汽进口连接；蒸汽过热器4的蒸汽出口分为两路，其中，一路与汽轮机6的进汽口连接，另一路经控制阀17与电解制氢装置5的蒸汽进汽口连接；汽轮机6的输出轴与发电机7的驱动轴连接，汽轮机6的出汽口经凝汽器8、凝水泵9、轴封冷却器10及低压给水加热器11与除氧器12的入口连接，除氧器12的出口经给水泵13及高压给水加热器14与蒸汽发生器3的蒸汽入口连接。
电解制氢装置5的出水口与除氧器12的入口连接，其中，电解制氢装置5的电源接口与发电机7连接，通过发电机7为电解制氢装置5提供电源。
反应堆2与热氦温度控制系统18及反应堆功率控制系统19相连接，热氦温度控制系统18获取反应堆2的氦气出口处热氦温度测量值，，再根据热氦温度给定值及反应堆2出口处的热氦温度测量值采用比例积分控制算法控制反应堆2出口处的氦气温度，反应堆功率控制系统19获取反应堆2的核功率给定值及核功率测量值，再根据所述核功率测量值与核功率给定值采用比例积分控制算法控制反应堆2的核功率。
蒸汽发生器3的蒸汽出口处设有大气排放阀20，大气排放阀20与大气排放控制系统21连接，通过大气排放控制系统21将蒸汽发生器3出口处的蒸汽压力与大气排放控制系统21的排放整定值进行比较，当蒸汽发生器3出口处的蒸汽压力大于所述排放整定值时，则大气排放控制系统21控制大气排放阀20开启，将部分蒸汽直接排入大气，达到降低蒸汽压力的目的。
蒸汽过热器4与汽轮机6之间设有汽轮机进气调节阀22，汽轮机进气调节阀22与汽轮机控制系统23连接，汽轮机控制系统23计算汽轮机6的转速测量值与转速给定值之间的偏差，并以此调节汽轮机进气调节阀22的开度，继而通过改变汽轮机6的进汽量，以调节汽轮机6的输出功率，使得汽轮机6的输出功率与电负荷相匹配。
蒸汽压力控制系统25经给水流量控制器24与给水泵13连接，蒸汽压力控制系统25通过给水流量控制器24控制给水泵13的出口流量，继而控制蒸汽发生器3出口处的蒸汽压力，在实际操作时，蒸汽压力控制系统25获取蒸汽发生器3蒸汽出口处的蒸汽压力，并计算所述蒸汽压力与蒸汽压力给定值的偏差，然后根据所述偏差通过给水流量控制器24控制给水泵13的转速，以改变蒸汽发生器3的给水流量，使得蒸汽发生器3蒸汽出口处的蒸汽压力位于预设蒸汽压力定值范围内。
进一步地，反应堆2的氦气出口温度为420～550℃，蒸汽发生器3的蒸汽出口温度为240～350℃，蒸汽过热器4的蒸汽出口温度为535～620℃，汽轮机6的出汽口温度为220～280℃。
使用时，蒸汽发生器3输出的氦气经主氦风机1进入到反应堆2中吸热，使其温度升高至420～550℃，然后再送入蒸汽发生器3中进行放热，蒸汽发生器3中的冷凝水进行吸热变成温度为240～350℃的饱和蒸汽，饱和蒸汽进入蒸汽过热器4中进行吸热变成温度为535～620℃的过热蒸汽，所述过热蒸汽分为两路，其中一路进入汽轮机6中，使汽轮机6对发电机7做功发电；另一路进入电解制氢装置5内进行电解制氢，其中，发电机7输出的部分电能为电解制氢装置5提供电能；汽轮机6的排汽进入凝汽器8中放热变成凝结水，再经凝水泵9、轴封冷却器10、低压给水加热器11、除氧器12、给水泵13及高压给水加热器14进入蒸汽发生器3内，完成一次汽水循环，
本发明将核能制氢工艺与蒸汽循环发电很好地耦合起来，实现氢电联产模式，具有热利用率高、制氢成本低及蒸汽循环效率高的特点。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (8)
1.一种高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，其特征在于，包括主氦风机(1)、反应堆(2)、蒸汽发生器(3)、蒸汽过热器(4)、电解制氢装置(5)、汽轮机(6)、发电机(7)及除氧器(12)；
所述主氦风机(1)的氦气出口与反应堆(2)的氦气入口连接，反应堆(2)的氦气出口与蒸汽发生器(3)的氦气入口连接，蒸汽发生器(3)的氦气出口与主氦风机(1)的氦气入口相连通；
蒸汽发生器(3)的蒸汽出口与蒸汽过热器(4)的蒸汽进口连接；蒸汽过热器(4)的蒸汽出口分为两路，其中，一路与汽轮机(6)的进汽口连接，另一路经控制阀(17)与电解制氢装置(5)的蒸汽进汽口连接；汽轮机(6)的输出轴与发电机(7)的驱动轴连接，汽轮机(6)的出汽口与除氧器(12)的入口连接，除氧器(12)的出口与蒸汽发生器(3)的蒸汽入口连接；
电解制氢装置(5)的出水口与除氧器(12)的入口连接，其中，电解制氢装置(5)的电源接口与发电机(7)连接。
2.根据权利要求1所述的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，其特征在于，还包括氦气流量控制系统(16)及氦风机变频器(15)；所述氦风机变频器(15)与氦气流量控制系统(16)连接，氦气流量控制系统(16)与主氦风机(1)连接。
3.根据权利要求1所述的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，其特征在于，汽轮机(6)的出汽口经凝汽器(8)、凝水泵(9)、轴封冷却器(10)及低压给水加热器(11)与除氧器(12)的入口连接。
4.根据权利要求1所述的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，其特征在于，除氧器(12)的出口经给水泵(13)及高压给水加热器(14)与蒸汽发生器(3)的蒸汽入口连接。
5.根据权利要求1所述的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，其特征在于，还包括热氦温度控制系统(18)及反应堆功率控制系统(19)；反应堆(2)与热氦温度控制系统(18)及反应堆功率控制系统(19)相连接。
6.根据权利要求1所述的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，其特征在于，还包括大气排放控制系统(21)；蒸汽发生器(3)的蒸汽出口处设有大气排放阀(20)，大气排放阀(20)与大气排放控制系统(21)连接。
7.根据权利要求1所述的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，其特征在于，还包括汽轮机控制系统(23)；蒸汽过热器(4)与汽轮机(6)之间设有汽轮机进气调节阀(22)，汽轮机进气调节阀(22)与汽轮机控制系统(23)连接。
8.根据权利要求4所述的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，其特征在于，还包括蒸汽压力控制系统(25)及给水流量控制器(24)；蒸汽压力控制系统(25)经给水流量控制器(24)与给水泵(13)连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220513 |