CN115206570A - 一种核能电水氢联产系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核能电水氢联产系统，包括核反应加热循环系统、蒸汽循环系统、海水淡化组件、PEM电解槽；核反应加热循环系统与蒸汽循环系统于蒸汽发生器处交汇换热；蒸汽循环系统的高压段依次包括用于发电的汽轮机和用于对海水淡化组件进行加热的凝汽器；海水淡化组件包括位于凝汽器之后的低温多效蒸馏器，蒸汽循环系统的高压段还引出一用于与低温多效蒸馏器换热的带蒸汽喷射泵的蒸汽支路，蒸汽支路离开低温多效蒸馏器后返回至蒸汽喷射泵和凝汽器的前端，并通过第一调节阀调节与蒸汽喷射泵之间的连通开度；海水淡化组件的淡水引出端通过第二调节阀与PEM电解槽连通；蒸汽循环系统不单独引出供PEM电解槽电解的水源。

Description

一种核能电水氢联产系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种核能电水氢联产系统及其方法，属于电水氢联产系统技术领域。

背景技术

海洋岛屿型城市及偏远沿海地区的发展面临着基础设施不完善、交通通达度差、缺乏电力、淡水等能源和资源问题，随着我国海洋开发逐渐向深海迈进，对海上能源稳定供应的需求日趋显著。当前岛礁主要依靠雨水收集和小型模块化柴油机淡化装置来解决淡水供应，存在成本高、便利度低、供应量有限等问题，难以满足未来大规模开发需求。

核能作为一种能量密度大的清洁能源，具有良好的发展前景，由于远海地区水质优良，直接利用核能进行海水淡化可以充分发挥核能发电能力，同时有效解决淡水的规模化供应问题。氢气作为清洁的二次能源，热值高、无污染，可广泛应用于工业生产中，电解水制氢是传统的制氢方法之一，由于其成本主要来源于电能费用，因此单纯的电解水制氢工艺经济性较低，而探索利用用电低谷期剩余电能电解水制氢，可以作为远海岛礁电力供应利用的有益补充，从而实现一种完全绿色的能源与燃料供给方式，提供一种理想的能源解决方案。压水堆发展历程长、技术成熟，具有结构紧凑、体积小、功率密度高、自稳自调特性良好、安全可靠等优点，在反应堆的小型化、模块化发展中取得了良好的进展。

将小型模块化压水堆与海水淡化、电解水制氢结合，利用汽轮机产生的电能、二回路朗肯循环中的蒸汽热能和海水淡化装置产生的淡水实现三系统的相互耦合和灵活调节，可对能量进行梯级利用、提高核能电-水-氢联产系统的整体效率和经济性。

已公开的相关专利文件中存在以下不足：

(1)中国专利申请号202011408712.9公开了一种基于核能的能源梯级利用多元供能系统，包括第一和第二核能发电系统、核能制氢系统和海水淡化系统。高温气冷堆产生的氦气分为两路，一路为碘-硫循环制氢提供热能，并加热第二核能发电系统的蒸汽朗肯循环中的给水完成发电，输出换热氦气；另一路输入氦气轮机发电，输出的降温氦气与第一核能发电系统输出的换热氦气合并后利用余热完成海水淡化。该系统采用热化学碘-硫循环裂解水制氢，结构复杂且经济性低，分解反应所需条件苛刻，热效率有待提高，催化剂的长期稳定性存在问题，且在进行海水淡化时，没有充分利用多效蒸馏产生的低压蒸汽，降低了装置的造水比。

(2)中国专利申请号202110681565.0公开了一种可实现核电站灵活调峰的高效核能综合利用系统，包括氦气-蒸汽联合发电系统、高温固体氧化物电解水制氢系统和海水淡化系统。高温气冷堆产生的高温高压氦气通过布雷顿循环完成发电，氦气轮机排出的低压氦气作为热源加热蒸汽朗肯循环中的给水并输入蒸汽轮机完成发电，蒸汽轮机输出部分蒸汽，经蒸汽喷射器调整压力及高温氦气加热后进入高温固体氧化物电解制氢系统电解产生氢气、氧气和水蒸气，并输入海水淡化系统进行淡化和热量回收利用，实现发电、制氢和海水淡化的耦合。该系统高温气冷堆与高温固体氧化物电解水蒸气结合时，中间换热器温度达950℃且出口集箱结构复杂，材料的高温蠕变性能易发生变化，导致长时承载能力下降，影响设备安全性。此外，电解制氢的原料水蒸气来源于蒸汽轮机及管道抽汽，因此需要不断补充蒸汽循环给水。

综上，现有技术的不足及原因：

1)制氢反应条件苛刻，稳定性及热效率较低；海水淡化装置没有充分回收利用蒸馏产生的蒸汽，降低系统造水效率；

2)中间换热器结构复杂，电解温度下易出现安全问题，且利用蒸汽循环内的抽汽为原料制氢，需不断补充循环给水。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种核能电水氢联产系统及其方法，将现有先进小型模块化压水堆和低温多效蒸馏海水淡化技术、PEM电解槽电解制氢技术结合，实现核能的充分利用和灵活调节，并提供一种能源综合解决方案：

a.在海水淡化系统中设置蒸汽喷射泵，回收装置内低品位蒸汽并经混合调整后重新作为输入，充分利用余热，有效提高海水淡化装置的造水效率；

b.电解制氢原料由海水淡化装置产水引出，易于实时控制并实现负载的灵活调节，且不影响蒸汽循环给水量。

本发明采取以下技术方案：

一种核能电水氢联产系统，包括核反应加热循环系统、蒸汽循环系统、海水淡化组件、PEM电解槽6；所述核反应加热循环系统与蒸汽循环系统于蒸汽发生器3处交汇换热；所述蒸汽循环系统的高压段依次包括用于发电的汽轮机和用于对海水淡化组件进行加热的凝汽器34；所述海水淡化组件包括位于凝汽器34之后的低温多效蒸馏器5，所述蒸汽循环系统的高压段还引出一用于与低温多效蒸馏器5换热的带蒸汽喷射泵53的蒸汽支路，所述蒸汽支路离开低温多效蒸馏器5后返回至所述蒸汽喷射泵53和所述凝汽器34的前端，并通过第一调节阀54调节与所述蒸汽喷射泵53之间的连通开度；所述海水淡化组件的淡水引出端通过第二调节阀61与所述PEM电解槽6连通；所述蒸汽循环系统不单独引出供PEM电解槽6电解的水源。

优选的，所述PEM电解槽6后端的氢气出口设有依次连接的压气机62和储氢罐63。

优选的，所述海水淡化组件还包括设置于其最前端的预处理装置52。

优选的，所述用于发电的汽轮机包括高压汽轮机31和低压汽轮机32，所述蒸汽支路自两者之间引出。

进一步的，所述蒸汽循环系统的低压端依次包括凝结水泵35、低压加热器 36、除氧器37、给水泵38、高压加热器39。

优选的，所述核反应加热循环系统依次包括反应堆1、稳压器2、蒸汽发生器3、主泵4。

优选的，所述蒸汽喷射泵53为一利用管径变化形成负压的射流泵，所述第一调节阀54位于引射通道的前端。

一种核能电水氢联产方法，采用上述核能电水氢联产系统；使低温多效蒸馏器5的蒸汽出口分别与所述蒸汽喷射泵53和所述凝汽器34的前端连通，且在蒸汽喷射泵53的回流口之前设置第一调节阀54；蒸汽循环系统不单独引出供PEM电解槽6电解的水源；供PEM电解槽6电解的水源来自海水淡化组件淡化后的海水的一部分。

本发明的有益效果在于：

1)实现了核能的电水氢多功能联产，通过发电系统、低温多效蒸馏海水淡化系统和PEM电解制氢系统之间的耦合提高了核能的综合利用率、消纳富余电能，可为工业企业和居民生活提供一站式能源解决方案。

2)根据不同系统所需温度和能源特点，基于能量的梯级利用设计了生产流程，并通过蒸汽喷射泵利用高压蒸汽引射低品位蒸汽后进行混合调整，充分利用了不同温度蒸汽的能量和余热完成海水的预热和淡化，有效提高了系统的整体效率和经济性。

3)系统中设置多个调节阀，并选用操作弹性大、工况调节能力强、安全可靠的海水淡化和电解制氢技术，通过分层控制输入的海水淡化系统的蒸汽量以及输入制氢系统淡水量和电能，实现不同系统工作负荷的灵活调节和按需分配。

4)流程设计实现能量的梯级利用，通过系统间的耦合以及蒸汽喷射泵引射低品位蒸汽，充分利用蒸汽余热，提高整体热效率和经济性；

5)蒸汽循环系统实现封闭循环，无需补充循环给水，而电解水源完全来海水淡化组件制备的淡水，整体工艺流程安全可靠。

附图说明

图1是本发明核能电水氢联产系统的结构示意图。

图中，1-反应堆，2-稳压器，3-蒸汽发生器，31-高压汽轮机，32-低压汽轮机，33-发电机，34-凝汽器，35-凝结水泵，36-低压加热器，37-除氧器，38-给水泵，39-高压加热器，4-主泵，5-低温多效蒸馏器，51-调节阀，52-预处理装置，53-蒸汽喷射泵，54-调节阀，6-PEM电解槽，61-调节阀，62-压气机，63-储氢罐。

具体实施方式

本发明是一种核能电水氢联产系统，包括核能发电系统、低温多效蒸馏海水淡化系统和PEM电解制氢系统。

其中，核能发电系统通过蒸汽朗肯循环完成发电，输出蒸汽至低温多效蒸馏海水淡化系统，发电系统和海水淡化系统为PEM电解制氢系统提供电能和淡水输入。

核能发电系统包括压水堆、稳压器、主泵、蒸汽发生器、高压汽轮机、低压汽轮机、发电机、凝汽器、凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵和高压加热器。所述压水堆为小型模块化反应堆，冷却剂为轻水，压水堆输出高温水蒸气经稳压器后输入蒸汽发生器，高温蒸汽完成热量交换后经主泵回到压水堆内重新用作反应堆冷却剂，完成一回路循环。

蒸汽发生器内水被加热为高温水蒸汽，高温水蒸气在高压汽轮机内做功并带动发电机发电，同时输出低压水蒸气，引出部分蒸汽至低温多效蒸馏海水淡化系统，其余部分进入低压蒸汽轮机继续做功并带动发电机发电，同时输出低温低压水蒸气，并与海水淡化系统输出的部分低压蒸汽混合共同进入凝汽器。凝汽器输出的凝结水通过凝结水泵，流经低压加热器、除氧器、给水泵和高压加热器，完成两步加热并除去水中氧气和其他气体后，作为给水重新进入蒸汽发生器，完成核能发电系统的二回路蒸汽朗肯循环。

低温多效蒸馏海水淡化系统包括低温多效蒸馏器、调节阀、预处理装置和蒸汽喷射泵，海水经简单预处理后通过凝汽器预热，输入低温多效蒸馏器内各效的传热管上。高压汽轮机输出蒸汽中引出部分至海水淡化系统管道内，与低温多效蒸馏器引出的部分低压蒸汽共同输入蒸汽喷射泵中调节温度与压力，得到的混合蒸汽作为低温多效蒸馏第一效的输入蒸汽。输入低温多效蒸馏器的海水与蒸汽经蒸发或冷凝后得到淡水和浓盐水，并分别排出。

PEM电解制氢系统包括PEM电解槽、调节阀、压气机和储氢罐，低温多效蒸馏海水淡化系统中引出部分淡水进入PEM电解槽，发电机输出部分电能进行电解产生氢气和氧气，氢气经压气机压缩后送入储氢罐内储存。

压水堆输出的高温高压蒸汽温度为290℃～320℃，压力为4MPa。高压蒸汽轮机的进气温度为240℃～280℃。低温多效蒸馏器引入的经蒸汽喷射泵调节的混合蒸汽温度为60℃～70℃。低温多效蒸馏器引出的尾效低压蒸汽温度为30℃～40℃。低压蒸汽轮机排出的乏汽温度为30℃～45℃。

低温多效蒸馏器布置传热效数为12效。低温多效蒸馏海水淡化系统的预处理装置及方法为筛网过滤和添加阻垢剂，海水淡化系统输出的淡水含盐量小于5mg/L，可直接作为去离子水输入PEM电解槽电解。

各调节阀对高压蒸汽轮机引入海水淡化系统的蒸汽量、低温多效蒸馏器引出的低压蒸汽量和输入PEM电解槽的淡水量进行调节，发电机对输入PEM电解槽的电能进行控制，结合电负荷、淡水需求量和氢气需求量对各系统工作负荷进行实时控制，实现各系统产能的灵活调节和按需分配。

下面对本发明的实施例具体展开说明。

本发明是一种核能电水氢联产系统及其方法，如图1所示，包括核能发电系统、低温多效蒸馏海水淡化系统和PEM电解制氢系统。

其中，核能发电系统通过蒸汽朗肯循环完成发电，输出蒸汽至低温多效蒸馏海水淡化系统，发电系统和海水淡化系统为PEM电解制氢系统提供电能和淡水输入。

所述核能发电系统包括压水堆1、稳压器2、蒸汽发生器3、高压汽轮机 31、低压汽轮机32、发电机33、凝汽器34、凝结水泵35、低压加热器36、除氧器37、给水泵38、高压加热器39和主泵4。

所述压水堆1为小型模块化反应堆，冷却剂为轻水。

所述压水堆1输出高温水蒸气，经稳压器2后输入蒸汽发生器3，高温蒸汽在蒸汽发生器3中完成热量交换后，经主泵4回到压水堆内重新用作反应堆冷却剂，完成反应堆一回路循环。

所述蒸汽发生器3内，由高压加热器39输入的给水被加热为高温水蒸汽从出口排出，高温水蒸气在高压汽轮机31内做功并带动发电机33发电，同时输出低压水蒸气。输出的低压水蒸气中引出部分蒸汽经调节阀51至低温多效蒸馏海水淡化系统，其余部分进入低压蒸汽轮机32继续做功并带动发电机33 发电，同时输出低温低压水蒸气，并与海水淡化系统输出的部分低压蒸汽混合共同进入凝汽器34。完成热量交换后，凝汽器34输出的凝结水通过凝结水泵 35，流经低压加热器36、除氧器37、给水泵38和高压加热器39，完成两步加热并除去水中氧气和其他气体后，作为给水重新进入蒸汽发生器31，完成核能发电系统二回路的蒸汽朗肯循环。

所述低温多效蒸馏海水淡化系统包括低温多效蒸馏器5、调节阀51、预处理装置52、蒸汽喷射泵53和调节阀54。需要说明的是，使低温多效蒸馏器5 的蒸汽出口分别与所述蒸汽喷射泵53和所述凝汽器34的前端连通，且在蒸汽喷射泵53的回流口之前设置第一调节阀54；蒸汽循环系统不单独引出供PEM 电解槽6电解的水源；供PEM电解槽6电解的水源来自海水淡化组件淡化后的海水的一部分。

所述预处理装置52包括筛网过滤和添加阻垢剂。输入预处理装置52的海水经简单处理后通过凝汽器34预热，预热后输入低温多效蒸馏器5内各效的传热管上。

所述高压汽轮机31输出的蒸汽中引出部分蒸汽经调节阀51至海水淡化系统管道内，与低温多效蒸馏器5经调节阀54引出的部分低压蒸汽共同输入蒸汽喷射泵53中调节温度与压力，得到的混合蒸汽作为低温多效蒸馏器5第一效的输入蒸汽。输入低温多效蒸馏器5的海水与蒸汽经蒸发或冷凝后得到淡水和浓盐水，并分别排出。

所述PEM电解制氢系统包括PEM电解槽6、调节阀61、压气机62和储氢罐63。

所述调节阀61从低温多效蒸馏器5排出的淡水中引出部分淡水进入PEM 电解槽6，发电机33输出部分电能至PEM电解槽6，PEM电解槽6内对淡水进行电解产生氢气和氧气，输出的氢气经压气机62压缩后送入储氢罐63内储存。

所述低温多效蒸馏器5排出的淡水含盐量小于5mg/L，可直接作为去离子水输入PEM电解槽6中电解。

所述调节阀51、调节阀54和调节阀61分别对高压蒸汽轮机31引入低温多效蒸馏海水淡化系统的蒸汽量、低温多效蒸馏器5引出的低压蒸汽量和输入 PEM电解槽6的淡水量进行调节，发电机33对输入PEM电解槽6的电能进行控制，结合当前电负荷、淡水需求量和氢气需求量对各系统工作负荷进行实时控制，实现各系统间产能的灵活调节和按需分配。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种核能电水氢联产系统，其特征在于：

包括核反应加热循环系统、蒸汽循环系统、海水淡化组件、PEM电解槽(6)；

所述核反应加热循环系统与蒸汽循环系统于蒸汽发生器(3)处交汇换热；

所述蒸汽循环系统的高压段依次包括用于发电的汽轮机和用于对海水淡化组件进行加热的凝汽器(34)；

所述海水淡化组件包括位于凝汽器(34)之后的低温多效蒸馏器(5)，所述蒸汽循环系统的高压段还引出一用于与低温多效蒸馏器(5)换热的带蒸汽喷射泵(53)的蒸汽支路，所述蒸汽支路离开低温多效蒸馏器(5)后返回至所述蒸汽喷射泵(53)和所述凝汽器(34)的前端，并通过第一调节阀(54)调节与所述蒸汽喷射泵(53)之间的连通开度；

所述海水淡化组件的淡水引出端通过第二调节阀(61)与所述PEM电解槽(6)连通；

所述蒸汽循环系统不单独引出供PEM电解槽(6)电解的水源。

2.如权利要求1所述的核能电水氢联产系统，其特征在于：所述PEM电解槽(6)后端的氢气出口设有依次连接的压气机(62)和储氢罐(63)。

3.如权利要求1所述的核能电水氢联产系统，其特征在于：所述海水淡化组件还包括设置于其最前端的预处理装置(52)。

4.如权利要求1所述的核能电水氢联产系统，其特征在于：所述用于发电的汽轮机包括高压汽轮机(31)和低压汽轮机(32)，所述蒸汽支路自两者之间引出。

5.如权利要求4所述的核能电水氢联产系统，其特征在于：所述蒸汽循环系统的低压端依次包括凝结水泵(35)、低压加热器(36)、除氧器(37)、给水泵(38)、高压加热器(39)。

6.如权利要求1所述的核能电水氢联产系统，其特征在于：所述核反应加热循环系统依次包括反应堆(1)、稳压器(2)、蒸汽发生器(3)、主泵(4)。

7.如权利要求1所述的核能电水氢联产系统，其特征在于：所述蒸汽喷射泵(53)为一利用管径变化形成负压的射流泵，所述第一调节阀(54)位于引射通道的前端。

8.一种核能电水氢联产方法，其特征在于：

采用权利要求1-7中任意一项所述的核能电水氢联产系统；

使低温多效蒸馏器(5)的蒸汽出口分别与所述蒸汽喷射泵(53)和所述凝汽器(34)的前端连通，且在蒸汽喷射泵(53)的回流口之前设置第一调节阀(54)；

蒸汽循环系统不单独引出供PEM电解槽(6)电解的水源；

供PEM电解槽(6)电解的水源来自海水淡化组件淡化后的海水的一部分。

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