CN114718661A - 一种快堆二氧化碳发电的系统和方法 - Google Patents

一种快堆二氧化碳发电的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快堆二氧化碳发电的系统和方法，该系统快堆堆芯、钠泵和钠氦换热器；钠氦换热器是一种管壳式换热器，钠在换热器的壳侧，氦气在换热器的管侧，由快堆堆芯、钠泵和钠氦换热器壳侧及其连接的管道形成了快堆二氧化碳发电系统的一回路，一回路内布置有电加热装置，一回路的介质为钠，电加热装置能够将与介质加热到200℃以上。该方法中氦气属于惰性气体，与一回路的钠不会发生化学反应，当钠氦换热器泄露后，即使氦气进入到一回路的钠中，也不会发生化学反应，不会引起核安全事故；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，与快堆的定位更加契合，在500℃等级，净效率可以比水工质循环提高2‑4个百分点。

Description

一种快堆二氧化碳发电的系统和方法
技术领域
本发明属于核电技术领域，具体涉及一种快堆二氧化碳发电的系统和方法。
背景技术
目前快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)该系统结构复杂，特别是直流蒸发器制造、运行困难。
(2)目前在建的快堆核电站示范工程，蒸发器换热管内为14MPa、485℃的蒸汽，换热管外为0.5MPa、520℃的液态钠，换热管在运行中泄漏后钠和水及水蒸气发生钠水反应，产生氢气，发生爆炸，会造成安全事故，影响到核电机组的安全。
(3)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。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种快堆二氧化碳发电的系统和方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种快堆二氧化碳发电的系统，包括快堆堆芯、钠泵和钠氦换热器；其中，
钠氦换热器是一种管壳式换热器，钠在换热器的壳侧，氦气在换热器的管侧，由快堆堆芯、钠泵和钠氦换热器壳侧及其连接的管道形成了快堆二氧化碳发电系统的一回路，一回路内布置有电加热装置，一回路的介质为钠，电加热装置能够将与介质加热到200℃以上。
本发明进一步的改进在于，快堆堆芯的出口接在钠氦换热器的壳侧入口，钠氦换热器的壳侧出口接在钠泵的入口，钠泵的出口接在快堆堆芯的入口。
本发明进一步的改进在于，还包括氦气风机和氦-二氧化碳换热器；其中，
氦-二氧化碳换热器是一种印刷线路板换热器，换热器第一侧为氦气，换热器第二侧为二氧化碳，由钠氦换热器管侧、氦气风机、氦-二氧化碳换热器第一侧及其连接的管道形成了快堆二氧化碳发电系统的二回路，二回路的介质为氦气。
本发明进一步的改进在于，氦气风机的出口接在钠氦换热器的管侧入口，钠氦换热器的管侧出口接在氦-二氧化碳换热器的第一侧入口，氦-二氧化碳换热器的第一侧出口接在氦气风机的入口。
本发明进一步的改进在于，还包括二氧化碳压缩机、二氧化碳透平和发电机；其中，
由氦-二氧化碳换热器第二侧、二氧化碳压缩机、二氧化碳透平其连接的管道形成了快堆二氧化碳发电系统的三回路，三回路的介质为二氧化碳气体。
本发明进一步的改进在于，氦-二氧化碳换热器的第二侧出口接在二氧化碳透平的入口，二氧化碳透平的出口接在二氧化碳压缩机的入口，二氧化碳压缩机的出口接在氦-二氧化碳换热器的第二侧入口，二氧化碳透平带动发电机发电。
一种快堆二氧化碳发电的方法，该方法基于所述的一种快堆二氧化碳发电的系统，包括以下步骤：
在快堆氦二氧化碳发电的系统启动初期，启动氦气风机建立二回路的氦气循环；
启动一回路的电加热装置，将一回路钠加热到200℃以上，一回路钠全部熔化为液态后，启动钠泵，建立起一回路液钠循环；
启动三回路二氧化碳压缩机及二氧化碳透平的盘车装置，建立起三回路的二氧化碳循环；
提升快堆堆芯的核功率，当核功率大于一回路的电加热功率后，停掉一回路的电加热装置；
继续提升核功率，此时一回路的钠温、二回路的氦气温度、二回路的氦气压力、三回路的二氧化碳温度、三回路的二氧化碳压力持续提升；
随着三回路的二氧化碳温度、压力持续提升，二氧化碳透平的转速持续提高，此时可以停掉二氧化碳透平的盘车装置；
当二氧化碳透平转速达到额定转速后，发电机发电并网；
随着快堆堆芯的核功率提高，发电机对外输出功率提高，直至核功率达到额定功率。
本发明进一步的改进在于，提高反应堆功率，发电机发电负荷增加，降低反应堆功率，发电机发电负荷减小，发电负荷根据需要增加或减少。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种快堆二氧化碳发电的系统和方法，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)氦气属于惰性气体，与一回路的钠不会发生化学反应，当钠氦换热器泄露后，即使氦气进入到一回路的钠中，也不会发生化学反应，不会引起核安全事故；
2)氦气与二氧化碳气体不发生化学反应，当氦-二氧化碳换热器发生泄露后，不会引起安全事故；
3)氦-二氧化碳换热器为印刷电路板换热器，换热器结构相对简单，换热器两侧介质均为气体，运行过程无相变，运行控制相对简单；
4)三回路系统设备大大减少，发电机组的投资大幅度降低；
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，与快堆的定位更加契合，在500℃等级，净效率可以比水工质循环提高2-4个百分点。
附图说明
图1为本发明一种快堆二氧化碳发电的系统的结构框图。
附图标记说明：
1、快堆堆芯，2、钠泵，3、钠氦换热器，4、氦气风机，5、氦-二氧化碳换热器，6、二氧化碳压缩机，7、二氧化碳透平，8、发电机。
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，本发明提供的一种快堆二氧化碳发电的系统，包括快堆堆芯1、钠泵2、钠氦换热器3、氦气风机4、氦-二氧化碳换热器5、二氧化碳压缩机6、二氧化碳透平7和发电机8。
其中，钠氦换热器3是一种管壳式换热器，钠在换热器的壳侧，氦气在换热器的管侧，由快堆堆芯1、钠泵2和钠氦换热器3壳侧及其连接的管道形成了快堆二氧化碳发电系统的一回路，一回路内布置有电加热装置，一回路的介质为钠，电加热装置能够将与介质加热到200℃以上；氦-二氧化碳换热器5是一种印刷线路板换热器，换热器第一侧为氦气，换热器第二侧为二氧化碳，由钠氦换热器3管侧、氦气风机4、氦-二氧化碳换热器5第一侧及其连接的管道形成了快堆二氧化碳发电系统的二回路，二回路的介质为氦气；由氦-二氧化碳换热器5第二侧、二氧化碳压缩机6、二氧化碳透平7其连接的管道形成了快堆二氧化碳发电系统的三回路，三回路的介质为二氧化碳气体。
快堆堆芯1的出口接在钠氦换热器3的壳侧入口，钠氦换热器3的壳侧出口接在钠泵2的入口，钠泵2的出口接在快堆堆芯1的入口；氦气风机4的出口接在钠氦换热器3的管侧入口，钠氦换热器3的管侧出口接在氦-二氧化碳换热器5的第一侧入口，氦-二氧化碳换热器5的第一侧出口接在氦气风机4的入口；氦-二氧化碳换热器5的第二侧出口接在二氧化碳透平7的入口，二氧化碳透平7的出口接在二氧化碳压缩机6的入口，二氧化碳压缩机6的出口接在氦-二氧化碳换热器5的第二侧入口，二氧化碳透平7带动发电机8发电。
本发明提供的一种快堆二氧化碳发电的方法，包括以下步骤：
在快堆氦二氧化碳发电的系统启动初期，启动氦气风机4建立二回路的氦气循环；
启动一回路的电加热装置，将一回路钠加热到200℃以上，一回路钠全部熔化为液态后，启动钠泵2，建立起一回路液钠循环；
启动三回路二氧化碳压缩机6及二氧化碳透平7的盘车装置，建立起三回路的二氧化碳循环；
提升快堆堆芯1的核功率，当核功率大于一回路的电加热功率后，停掉一回路的电加热装置；
继续提升核功率，此时一回路的钠温、二回路的氦气温度、二回路的氦气压力、三回路的二氧化碳温度、三回路的二氧化碳压力持续提升；
随着三回路的二氧化碳温度、压力持续提升，二氧化碳透平7的转速持续提高，此时可以停掉二氧化碳透平7的盘车装置；
当二氧化碳透平7转速达到额定转速后，发电机8发电并网；
随着快堆堆芯1的核功率提高，发电机8对外输出功率提高，直至核功率达到额定功率。
实施例
目前在建的快堆反应堆示范工程，反应堆一回路出口钠温度为535℃，压力为0.5MPa，将该参数的钠引入“钠-氦”换热器，氦气出口温度可以达到520℃以上，再将该氦气引入到氦二氧化碳换热器，二氧化碳出口温度可以达到500℃以上。由于氦气与钠不发生化学反应，将大大提高机组运行的安全性。二氧化碳的压力一方面通过二氧化碳压缩机达到20MPa以上，另一方面通过提高温度提高压力，可以将二氧化碳提高到超临界压力以上。通过快堆反应堆与二氧化碳透平结合形成的发电机组，可以实现超超临界核能发电机组，机组效率有望高于现有的快堆反应堆水汽发电、压水堆发电。同时可以取消现有快堆三回路的循环水系统、凝结水系统、精处理系统、给水系统、除氧器系统，启停堆系统、汽水分离再热器系统、辅助蒸汽系统、辅助锅炉、化学水处理系统等，系统大大简化，有望降低投资成本。
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 (8)

1.一种快堆二氧化碳发电的系统，其特征在于，包括快堆堆芯(1)、钠泵(2)和钠氦换热器(3)；其中，
钠氦换热器(3)是一种管壳式换热器，钠在换热器的壳侧，氦气在换热器的管侧，由快堆堆芯(1)、钠泵(2)和钠氦换热器(3)壳侧及其连接的管道形成了快堆二氧化碳发电系统的一回路，一回路内布置有电加热装置，一回路的介质为钠，电加热装置能够将与介质加热到200℃以上。
2.根据权利要求1所述的一种快堆二氧化碳发电的系统，其特征在于，快堆堆芯(1)的出口接在钠氦换热器(3)的壳侧入口，钠氦换热器(3)的壳侧出口接在钠泵(2)的入口，钠泵(2)的出口接在快堆堆芯(1)的入口。
3.根据权利要求2所述的一种快堆二氧化碳发电的系统，其特征在于，还包括氦气风机(4)和氦-二氧化碳换热器(5)；其中，
氦-二氧化碳换热器(5)是一种印刷线路板换热器，换热器第一侧为氦气，换热器第二侧为二氧化碳，由钠氦换热器(3)管侧、氦气风机(4)、氦-二氧化碳换热器(5)第一侧及其连接的管道形成了快堆二氧化碳发电系统的二回路，二回路的介质为氦气。
4.根据权利要求3所述的一种快堆二氧化碳发电的系统，其特征在于，氦气风机(4)的出口接在钠氦换热器(3)的管侧入口，钠氦换热器(3)的管侧出口接在氦-二氧化碳换热器(5)的第一侧入口，氦-二氧化碳换热器(5)的第一侧出口接在氦气风机(4)的入口。
5.根据权利要求4所述的一种快堆二氧化碳发电的系统，其特征在于，还包括二氧化碳压缩机(6)、二氧化碳透平(7)和发电机(8)；其中，
由氦-二氧化碳换热器(5)第二侧、二氧化碳压缩机(6)、二氧化碳透平(7)其连接的管道形成了快堆二氧化碳发电系统的三回路，三回路的介质为二氧化碳气体。
6.根据权利要求5所述的一种快堆二氧化碳发电的系统，其特征在于，氦-二氧化碳换热器(5)的第二侧出口接在二氧化碳透平(7)的入口，二氧化碳透平(7)的出口接在二氧化碳压缩机(6)的入口，二氧化碳压缩机(6)的出口接在氦-二氧化碳换热器(5)的第二侧入口，二氧化碳透平(7)带动发电机(8)发电。
7.一种快堆二氧化碳发电的方法，其特征在于，该方法基于权利要求6所述的一种快堆二氧化碳发电的系统，包括以下步骤：
在快堆氦二氧化碳发电的系统启动初期，启动氦气风机(4)建立二回路的氦气循环；
启动一回路的电加热装置，将一回路钠加热到200℃以上，一回路钠全部熔化为液态后，启动钠泵(2)，建立起一回路液钠循环；
启动三回路二氧化碳压缩机(6)及二氧化碳透平(7)的盘车装置，建立起三回路的二氧化碳循环；
提升快堆堆芯(1)的核功率，当核功率大于一回路的电加热功率后，停掉一回路的电加热装置；
继续提升核功率，此时一回路的钠温、二回路的氦气温度、二回路的氦气压力、三回路的二氧化碳温度、三回路的二氧化碳压力持续提升；
随着三回路的二氧化碳温度、压力持续提升，二氧化碳透平(7)的转速持续提高，此时可以停掉二氧化碳透平(7)的盘车装置；
当二氧化碳透平(7)转速达到额定转速后，发电机(8)发电并网；
随着快堆堆芯(1)的核功率提高，发电机(8)对外输出功率提高，直至核功率达到额定功率。
8.根据权利要求7所述的一种快堆二氧化碳发电的方法，其特征在于，提高反应堆功率，发电机(8)发电负荷增加，降低反应堆功率，发电机(8)发电负荷减小，发电负荷根据需要增加或减少。
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