CN114590775B - 一种超高温气冷堆氢电联产的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高温气冷堆氢电联产的系统和方法，该系统将超高温气冷堆、硫碘循环制氢、超临界二氧化碳发电耦合，进行氢电联产，包括超高温气冷堆模块、第一换热器、第二换热器和第三换热器等；该方法包括建立起氦气回路压力及氦气循环，建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环，建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环，建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环，提升超高温气冷堆模块的核功率，启动硫碘制氢循环制氢。本发明超临界二氧化碳发电循环在高温度参数条件下，效率优势更为显著，与高温气冷堆的定位更加契合。
Description
技术领域
本发明属于核电和制氢技术领域，具体涉及一种超高温气冷堆氢电联产的系统和方法。
背景技术
目前高温气冷堆示范电站利用直流蒸发器将反应堆产生的热量加热水，产生蒸汽，推动汽轮机发电的。
该系统存在以下一些问题：
(1)高温气冷堆出口温度为750℃，无法提供硫碘循环制氢所需要的800℃以上的高温热源。
(2)没有设计对外供热的系统；
(3)该系统结构复杂，特别是直流蒸发器制造、运行困难。
(4)目前在建的高温气冷堆核电站示范工程，蒸发器换热管内为14MPa、570℃的蒸汽，换热管外为7MPa、750℃的带有放射性石墨粉尘的氦气，换热管在运行中泄漏后危害很大。
(5)换热管故障后没有换管的手段，一根换热管在大负荷下的泄露将会损伤临近换热管，大量换热管的损伤将影响机组出力，甚至使得蒸发器报废。
(6)在启动停止阶段、干湿态转换阶段均存在蒸发器入口给水流量温度、流量难以控制，蒸发器出口压力波动大，主蒸汽温度变化剧烈，影响到蒸发器及汽轮机运行安全。
(7)在事故停堆后机组需要长时间冷却才能再次建立水循环启动，影响到机组的可用性及经济性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种超高温气冷堆氢电联产的系统和方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种超高温气冷堆氢电联产的系统，该系统将超高温气冷堆、硫碘循环制氢、超临界二氧化碳发电耦合，进行氢电联产，包括超高温气冷堆模块、第一换热器、第二换热器和第三换热器；其中，
超高温气冷堆模块的出口接在第一换热器的第一入口，第一换热器的第一出口接在第二换热器的第一入口，第二换热器的第一出口接在第三换热器的第一入口，第三换热器的第一出口接在超高温气冷堆模块的入口。
本发明进一步的改机在于，超高温气冷堆模块的冷却剂是氦气，其出口温度最高可达950℃，第一换热器的第一出口氦气温度最高为750℃，第二换热器的第一出口氦气温度最高为410℃，第三换热器的第一出口氦气温度最高为250℃。
本发明进一步的改机在于，第一换热器、第二换热器和第三换热器均为表面式氦-二氧化碳换热器，换热器的一次侧为高温氦气，二次侧为二氧化碳，高温氦气将热量传递给低温二氧化碳，两种介质有各自的流道，不互相混合。
本发明进一步的改机在于，还包括硫碘循环制氢高温模块、超临界二氧化碳发电模块和硫碘循环制氢中温模块；其中，
第一换热器的第二出口接在硫碘循环制氢高温模块的第一入口，硫碘循环制氢高温模块的第一出口接在第一换热器的第二入口，第二换热器的第二出口接在超临界二氧化碳发电模块的入口，超临界二氧化碳发电模块的出口接在第二换热器的第二入口，第三换热器的第二出口接在硫碘循环制氢中温模块第一的入口，硫碘循环制氢中温模块的第一出口接在第三换热器的第二入口。
本发明进一步的改机在于，硫碘循环制氢高温模块为硫碘循环制氢提供高温热源，用来进行硫酸分解、碘化氢分解等工艺要求的高温热源，其出口二氧化碳最低温度要高于700℃。
本发明进一步的改机在于，超临界二氧化碳发电模块的入口二氧化碳温度最高可达620℃。
本发明进一步的改机在于，硫碘循环制氢中温模块为硫碘循环制氢提供中温热源，用来进行硫酸浓缩、碘化氢浓缩等工艺要求的热源。
本发明进一步的改机在于，还包括硫碘循环制氢模块，硫碘循环制氢高温模块的第二出口接在硫碘循环制氢模块的第一入口，在硫碘循环制氢模块的第一出口接在硫碘循环制氢高温模块的第二入口，硫碘循环制氢中温模块的第二出口接在硫碘循环制氢模块的第二入口，在硫碘循环制氢模块的第二出口接在硫碘循环制氢中温模块的第二入口。
一种超高温气冷堆氢电联产的方法，该方法基于所述的一种超高温气冷堆氢电联产的系统，包括以下步骤：
向超高温气冷堆模块、第一换热器、第二换热器和第三换热器的氦气回路充入氦气，并建立起氦气回路压力及氦气循环；
向第一换热器、硫碘循环制氢高温模块所组成的二氧化碳回路充入二氧化碳，并建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环；
向第二换热器、超临界二氧化碳发电模块所组成的二氧化碳回路充入二氧化碳，并建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环；
向第三换热器、硫碘循环制氢中温模块所组成的二氧化碳回路充入二氧化碳，并建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环；
提升超高温气冷堆模块的核功率；
随着超高温气冷堆模块的核功率上升，氦气温度和二氧化碳温度提升，超临界二氧化碳发电模块发电，硫碘循环制氢高温模块和硫碘循环制氢中温模块向硫碘循环制氢模块供热，启动硫碘制氢循环制氢。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种超高温气冷堆氢电联产的系统和方法，该系统与目前通常使用的系统比起来有以下几方面明显的优点：
1)该方法提供的超高温气冷堆出口温度为950℃，满足硫碘循环制氢所需的高温；
2)该方法所提出的高温供热制氢与超临界二氧化碳发电耦合的方法，既可以实现硫碘循环高效制氢也可以实现二氧化碳高效发电；
3)二氧化碳属于惰性气体，与一回路的氦气及石墨粉尘均不会发生化学反应，工质安全性有充分保障。
4)超临界二氧化碳发电循环全工况范围无相变，一二回路换热器为气-气(氦气-超临界二氧化碳)换热器，避免了干湿态转化，避免了启停和运行过程的两相流流动不稳定性等问题，从机理上极大程度的规避了换热器流致振动的问题。
5)超临界二氧化碳发电循环在高温度参数条件下，效率优势更为显著，与高温气冷堆的定位更加契合。
附图说明
图1为本发明一种超高温气冷堆氢电联产的系统的结构框图。
附图标记说明：
1、超高温气冷堆模块，2、第一换热器，3、第二换热器，4、第三换热器，5、硫碘循环制氢高温模块，6、超临界二氧化碳发电模块，7、硫碘循环制氢中温模块，8、硫碘循环制氢模块。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供的一种超高温气冷堆氢电联产的系统，该系统将超高温气冷堆、硫碘循环制氢、超临界二氧化碳发电耦合，进行氢电联产，包括超高温气冷堆模块1、第一换热器2、第二换热器3、第三换热器4、硫碘循环制氢高温模块5、超临界二氧化碳发电模块6、硫碘循环制氢中温模块7和硫碘循环制氢模块8。
超高温气冷堆模块1的出口接在第一换热器2的第一入口，第一换热器2的第一出口接在第二换热器3的第一入口，第二换热器3的第一出口接在第三换热器4的第一入口，第三换热器4的第一出口接在超高温气冷堆模块1的入口。第一换热器2的第二出口接在硫碘循环制氢高温模块5的第一入口，硫碘循环制氢高温模块5的第一出口接在第一换热器2的第二入口，第二换热器3的第二出口接在超临界二氧化碳发电模块6的入口，超临界二氧化碳发电模块6的出口接在第二换热器3的第二入口，第三换热器4的第二出口接在硫碘循环制氢中温模块7第一的入口，硫碘循环制氢中温模块7的第一出口接在第三换热器4的第二入口。硫碘循环制氢高温模块5的第二出口接在硫碘循环制氢模块8的第一入口，在硫碘循环制氢模块8的第一出口接在硫碘循环制氢高温模块5的第二入口，硫碘循环制氢中温模块7的第二出口接在硫碘循环制氢模块8的第二入口，在硫碘循环制氢模块8的第二出口接在硫碘循环制氢中温模块7的第二入口。
其中，超高温气冷堆模块1的冷却剂是氦气，其出口温度最高可达950℃，第一换热器2的第一出口氦气温度最高为750℃，第二换热器3的第一出口氦气温度最高为410℃，第三换热器4的第一出口氦气温度最高为250℃。
第一换热器2、第二换热器3和第三换热器4均为表面式氦-二氧化碳换热器，换热器的一次侧为高温氦气，二次侧为二氧化碳，高温氦气将热量传递给低温二氧化碳，两种介质有各自的流道，不互相混合。
硫碘循环制氢高温模块5为硫碘循环制氢提供高温热源，用来进行硫酸分解、碘化氢分解等工艺要求的高温热源，其出口二氧化碳最低温度要高于700℃。超临界二氧化碳发电模块6的入口二氧化碳温度最高可达620℃。硫碘循环制氢中温模块7为硫碘循环制氢提供中温热源，用来进行硫酸浓缩、碘化氢浓缩等工艺要求的热源。
本发明提供的一种超高温气冷堆氢电联产的方法，包括以下步骤：
向超高温气冷堆模块1、第一换热器2、第二换热器3和第三换热器4的氦气回路充入氦气，并建立起氦气回路压力及氦气循环；
向第一换热器2、硫碘循环制氢高温模块5所组成的二氧化碳回路充入二氧化碳，并建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环；
向第二换热器3、超临界二氧化碳发电模块6所组成的二氧化碳回路充入二氧化碳，并建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环；
向第三换热器4、硫碘循环制氢中温模块7所组成的二氧化碳回路充入二氧化碳，并建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环；
提升超高温气冷堆模块1的核功率；
随着超高温气冷堆模块1的核功率上升，氦气温度和二氧化碳温度提升，超临界二氧化碳发电模块6发电，硫碘循环制氢高温模块5和硫碘循环制氢中温模块7向硫碘循环制氢模块8供热，启动硫碘制氢循环制氢。
实施例
目前正在建设的高温气冷堆示范工程，反应堆出口氦气温度为750℃。二回路采用汽轮机发电系统，常规岛配备有循环水系统、凝结水系统、除氧器系统、主给水系统、蒸汽发生器、主汽系统，汽轮发电机系统、除盐水制备系统等，设计额定工况反应堆单堆功率为250MW，对外发电100MW，发电效率为40％，二回路蒸汽温度最高为570℃，没有设计对外供热。
硫碘(SI)循环制氢是一种通过一系列热化学过程将水分解为氢气和氧气的循环制氢方式。整个循环包括以下3个反应:
(1)I2+SO2+2H2O→2HI+H2SO4 (20～100℃) (本生反应)
(2)H2 SO4→SO2+H2+0.5O2 (800～900℃)(分解反应)
(3)2HI→I2+H2 (500～700℃)(分解反应)
在20～100℃温度范围内，碘、二氧化硫和水发生反应，生成碘化氢和硫酸，该反应是SI循环制氢中的本生反应。
硫酸在800～900℃的温度范围内首先被分解为SO3和H2O，接着SO3在更高温度下被催化分解为SO2和O2。
HI在500～700℃温度范围内经催化分解得到H2和I2，I2循环利用。
目前在建的高温气冷堆示范工程无法满足硫碘循环制氢所需要的热源。
采用本发明所采用的方法，超高温气冷堆模块1的冷却剂是氦气，其出口温度最高可达950℃，超高温气冷堆模块1通过第一换热器2向硫碘循环制氢高温模块5提供的热量，满足硫酸和碘化氢分解所需要的高温热源。碘化氢分解后产生氢气和碘，碘又可以被重复利用。
超高温气冷堆模块1出口的超高温氦气被第一换热器2的二氧化碳冷却后，温度降至750℃，750℃的氦气将热量传给第二换热器3内的二氧化碳，二氧化碳温度可以升至620℃，氦气温度被冷却至410℃。620℃的超临界二氧化碳在二氧化碳发电模块6内冲转二氧化碳透平，并带动发电机发电，此时二氧化碳发电的效率可达52％以上。
410℃的氦气将热量通过第三换热器4将热量传递给硫碘循环制氢中温模块7，并被硫碘循环制氢模块8用来进行碘化氢溶液和硫酸溶液的纯化和浓缩。从第三换热器4中出来的氦气温度降至250℃回到超高温气冷堆模块1中。
本发明所提供的方法，将超高温气冷堆产热、超临界二氧化碳发电、硫碘循环制氢完美耦合，实现了高效发电与高效制氢的联产。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种超高温气冷堆氢电联产的系统，其特征在于，该系统将超高温气冷堆、硫碘循环制氢、超临界二氧化碳发电耦合，进行氢电联产，包括超高温气冷堆模块（1）、第一换热器（2）、第二换热器（3）和第三换热器（4）、硫碘循环制氢高温模块（5）、超临界二氧化碳发电模块（6）、硫碘循环制氢中温模块（7）和硫碘循环制氢模块（8）；其中，
超高温气冷堆模块（1）的出口接在第一换热器（2）的第一入口，第一换热器（2）的第一出口接在第二换热器（3）的第一入口，第二换热器（3）的第一出口接在第三换热器（4）的第一入口，第三换热器（4）的第一出口接在超高温气冷堆模块（1）的入口；
第一换热器（2）的第二出口接在硫碘循环制氢高温模块（5）的第一入口，硫碘循环制氢高温模块（5）的第一出口接在第一换热器（2）的第二入口，第二换热器（3）的第二出口接在超临界二氧化碳发电模块（6）的入口，超临界二氧化碳发电模块（6）的出口接在第二换热器（3）的第二入口，第三换热器（4）的第二出口接在硫碘循环制氢中温模块（7）第一的入口，硫碘循环制氢中温模块（7）的第一出口接在第三换热器（4）的第二入口；
硫碘循环制氢高温模块（5）的第二出口接在硫碘循环制氢模块（8）的第一入口，硫碘循环制氢模块（8）的第一出口接在硫碘循环制氢高温模块（5）的第二入口，硫碘循环制氢中温模块（7）的第二出口接在硫碘循环制氢模块（8）的第二入口，硫碘循环制氢模块（8）的第二出口接在硫碘循环制氢中温模块（7）的第二入口；
超高温气冷堆模块（1）的冷却剂是氦气，其出口温度最高可达950℃，第一换热器（2）的第一出口氦气温度最高为750℃，第二换热器（3）的第一出口氦气温度最高为410℃，第三换热器（4）的第一出口氦气温度最高为250℃。
2.根据权利要求1所述的一种超高温气冷堆氢电联产的系统，其特征在于，第一换热器（2）、第二换热器（3）和第三换热器（4）均为表面式氦-二氧化碳换热器，换热器的一次侧为高温氦气，二次侧为二氧化碳，高温氦气将热量传递给低温二氧化碳，两种介质有各自的流道，不互相混合。
3.根据权利要求1所述的一种超高温气冷堆氢电联产的系统，其特征在于，硫碘循环制氢高温模块（5）为硫碘循环制氢提供高温热源，用来进行硫酸分解、碘化氢分解工艺要求的高温热源，其出口二氧化碳最低温度要高于700℃。
4.根据权利要求1所述的一种超高温气冷堆氢电联产的系统，其特征在于，超临界二氧化碳发电模块（6）的入口二氧化碳温度最高可达620℃。
5.根据权利要求1所述的一种超高温气冷堆氢电联产的系统，其特征在于，硫碘循环制氢中温模块（7）为硫碘循环制氢提供中温热源，用来进行硫酸浓缩、碘化氢浓缩工艺要求的热源。
6.一种超高温气冷堆氢电联产的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的一种超高温气冷堆氢电联产的系统，包括以下步骤：
向超高温气冷堆模块（1）、第一换热器（2）、第二换热器（3）和第三换热器（4）的氦气回路充入氦气，并建立起氦气回路压力及氦气循环；
向第一换热器（2）、硫碘循环制氢高温模块（5）所组成的二氧化碳回路充入二氧化碳，并建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环；
向第二换热器（3）、超临界二氧化碳发电模块（6）所组成的二氧化碳回路充入二氧化碳，并建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环；
向第三换热器（4）、硫碘循环制氢中温模块（7）所组成的二氧化碳回路充入二氧化碳，并建立起二氧化碳回路压力及二氧化碳循环；
提升超高温气冷堆模块（1）的核功率；
随着超高温气冷堆模块（1）的核功率上升，氦气温度和二氧化碳温度提升，超临界二氧化碳发电模块（6）发电，硫碘循环制氢高温模块（5）和硫碘循环制氢中温模块（7）向硫碘循环制氢模块（8）供热，启动硫碘制氢循环制氢。
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