CN115263477B - 耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统及方法，包括反应堆回路子系统与熔盐储能子系统；反应堆回路子系统包括气冷微堆，气冷微堆出口经氦气‑熔盐换热器氦气侧经高温氦气‑超临界二氧化碳换热器氦气侧、低温氦气‑超临界二氧化碳换热器氦气侧与气冷微堆连接；氦气‑熔盐换热器熔盐侧与熔盐储能子系统相连，低温氦气‑超临界二氧化碳换热器超临界以及高温氦气‑超临界二氧化碳换热器均与超临界二氧化碳布雷顿循环子系统相连。本发明通过熔盐储能子系统的蓄热和放热功能，能够确保超临界二氧化碳布雷顿循环回路主气参数的稳定性，提高发电品质，并且适应反应堆在不同应用场景下的热功转换需求。

Description

耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统及方法
技术领域
本发明涉及核能发电技术领域，特别涉及一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统及方法。
背景技术
核电是大规模可持续发展的主要绿色能源之一，能够调整能源结构，解决能源短缺和全球变暖问题。核电未来的发展趋势是模块化和小型化。气冷微堆是一种具有第四代核电特征的微型氦气气冷的反应堆堆型，具有能量密度高、功率水平低、结构简单、布局灵活、续航时间长的特点，可模块化设计与建造，为远离主电网的军事基地等场景的孤岛运行智能供电。
采用超临界二氧化碳作为工质的布雷顿循环发电技术，与传统的以水和蒸汽作为工质的朗肯循环发电方式相比，具有效率高、灵活性好、适用性广、设备和系统体积小等优势，是热力发电领域的一种变革性低碳发电技术。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。
熔盐储能技术利用熔盐材料蓄热和放热，与功率不稳定热源系统的结合可实现热量存续储能和热量释放发电。因此，熔盐储能可以作为匹配孤岛运行场景堆型的中间储能技术。
若基于目前核电站中核反应堆与发电系统的连接方式，直接使用中间换热器实现气冷微堆直接连接发电系统，则该发电系统的孤岛运行能力存在无功补偿控制手段不足的缺点，这会造成发电系统的静态和动态稳定性相对联网电力系统较差，从而导致发电品质较差。另外，对于传统能量转换系统的动力循环如蒸汽朗肯循环，由于水蒸气的相变和低密度特性造成发电系统庞杂、控制过程迟缓，无法满足小型可移动式反应堆对结构尺寸小、重量轻、控制灵活的设计需求；蒸汽朗肯循环也无法为具有高温热源出口温度的气冷微堆提供较高的能源转换效率。
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耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统及方法，该系统通过熔盐储能子系统的蓄热和放热功能，解决反应堆在变化应用场景下能量输出不稳定问题，确保超临界二氧化碳布雷顿循环回路主气参数的稳定性，提高发电品质。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统，包括相连的反应堆回路子系统、熔盐储能子系统以及具有不同构型的超临界二氧化碳布雷顿循环子系统；
反应堆回路子系统包括气冷微堆、第一分流装置、第一合流装置、高温氦气-超临界二氧化碳换热器、第二分流装置、第二合流装置、低温氦气-超临界二氧化碳换热器以及氦气-熔盐换热器；其中，气冷微堆出口与第一分流装置入口连接，第一分流装置第一出口与第一合流装置第一入口连接，第一分流装置第二出口通过氦气-熔盐换热器氦气侧与第一合流装置第二入口连接，第一合流装置出口与高温氦气-超临界二氧化碳换热器氦气侧入口连接，高温氦气-超临界二氧化碳换热器氦气侧出口与第二分流装置入口连接，第二分流装置第一出口与第二合流装置第一入口连接，第二分流装置第二出口通过低温氦气-超临界二氧化碳换热器氦气侧与第二合流装置第二入口连接，第二合流装置出口与气冷微堆入口连接；氦气-熔盐换热器熔盐侧与熔盐储能子系统相连，低温氦气-超临界二氧化碳换热器以及高温氦气-超临界二氧化碳换热器超临界二氧化碳侧均与超临界二氧化碳布雷顿循环子系统相连。
本发明进一步的改进在于，熔盐储能子系统包括低温熔盐罐、低温熔盐阀、低温熔盐泵、第三合流装置、第三分流装置、高温熔盐罐、高温熔盐阀以及高温熔盐泵；其中，氦气-熔盐换热器熔盐侧出口与第三分流装置连接，第三分流装置第二出口通过低温熔盐罐、低温熔盐阀、低温熔盐泵与第三合流装置第一入口连接，第三分流装置第一出口通过高温熔盐罐、高温熔盐阀、高温熔盐泵与第三合流装置第二入口连接，第三合流装置出口与氦气-熔盐换热器熔盐侧入口连接。
本发明进一步的改进在于，超临界二氧化碳布雷顿循环子系统包括透平、低温回热器、高温回热器、第四分流装置、预冷器、主压缩机、分流阀、再压缩机、第四合流装置、第五分流装置、再分流阀、第五合流装置以及电机；其中，高温氦气-超临界二氧化碳换热器超临界二氧化碳侧出口与透平入口连接，透平出口经过低温回热器热侧和高温回热器热侧与第四分流装置入口连接，第四分流装置第一出口通过预冷器热侧、主压缩机、高温回热器冷侧与第四合流装置第一入口连接，第四分流装置第二出口通过分流阀、再压缩机与第四合流装置第二入口连接，第四合流装置出口与第五分流装置入口连接，第五分流装置第一出口通过低温回热器冷侧与第五合流装置第一入口连接，第五分流装置第二出口通过再分流阀、低温氦气-超临界二氧化碳换热器超临界二氧化碳侧与第五合流装置第二入口连接，第五合流装置出口与高温氦气-超临界二氧化碳换热器超临界二氧化碳侧入口连接。
本发明进一步的改进在于，透平、主压缩机与再压缩机同轴布置。
本发明进一步的改进在于，所述氦气-熔盐换热器、高温氦气-超临界二氧化碳换热器、低温氦气-超临界二氧化碳换热器、低温回热器、高温回热器、预冷器采用印刷电路板式换热器。
一种基于如上所述的耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统的能量转化方法，包括以下步骤：
氦气经过堆芯加热从气冷微堆出口流向第一分流装置分流为两路，一路从第一分流装置第一出口流出后进入第一合流装置第一入口，另一路从第一分流装置第二出口流出后经过氦气-熔盐换热器氦气侧放热或吸热，然后进入第一合流装置第二入口，两路汇流后从第一合流装置出口进入高温氦气-超临界二氧化碳换热器氦气侧降温放热，然后进入第二分流装置分流为两路，一路从第二分流装置第一出口流出后直接进入第二合流装置第一入口，另一路从第二分流装置第二出口流出后进入低温氦气-超临界二氧化碳换热器氦气侧降温放热，然后进入第二合流装置第二入口，两路汇流后从第二合流装置出口进入气冷微堆入口；通过高温氦气-超临界二氧化碳换热器和低温超临界二氧化碳换热器实现热功转换，通过氦气-熔盐换热器实现热量存储和释放。
本发明进一步的改进在于，通过调节第一合流装置和第一分流装置的开关状态，能够形成反应堆回路子系统与熔盐储能子系统、超临界二氧化碳布雷顿循环子系统间的不同耦合方式，具体包括：
1)第一分流装置第一出口开启，第二出口关闭，第一合流装置第一入口开启，第二入口关闭，气冷微堆回路子系统直接与超临界二氧化碳布雷顿循环子系统耦合，实现气冷微堆满功率运行下的热功转换；
2)第一分流装置第一出口和第二出口开启，第一合流装置第一入口和第二入口开启，反应堆回路子系统与熔盐储能子系统以及超临界二氧化碳布雷顿循环子系统耦合，实现在气冷微堆升功率时，熔盐储能子系统吸热以存储反应堆回路子系统多余热量，或在气冷微堆降功率时，熔盐储能子系统放热以补充反应堆回路子系统热量。
本发明进一步的改进在于，通过调节第三合流装置和第三分流装置的开关状态，能够发挥熔盐储能子系统在气冷微堆升降功率时的不同功能，具体如下：
1)在气冷微堆升功率时，第三分流装置第一出口开启，第二出口关闭，第三合流装置第一入口开启，第二入口关闭，高温熔盐阀关闭，低温熔盐从低温熔盐罐出口流出，经过低温熔盐阀后，由低温熔盐泵输送至第三合流装置第一入口，从第三合流装置流出后进入氦气-熔盐换热器熔盐侧吸收热量降低氦气侧温度，然后进入第三分流装置，从第三分流装置第一出口流出进入高温熔盐罐；
2)在气冷微堆降功率时，第三分流装置第一出口关闭，第二出口开启，第三合流装置第一入口关闭，第二入口开启，低温熔盐阀关闭，高温熔盐从高温熔盐罐出口流出，经过高温熔盐阀后，由高温熔盐泵输送至第三合流装置第二入口，从第三合流装置流出后进入氦气-熔盐换热器熔盐侧释放热量提升氦气侧温度，然后进入第三分流装置，从第三分流装置第二出口流出进入低温熔盐罐。
本发明进一步的改进在于，超临界二氧化碳经过高温氦气-超临界二氧化碳换热器超临界二氧化碳侧升温后，进入透平膨胀做功，然后经过低温回热器热侧和高温回热器热侧降温后，进入第四分流装置分流为两路，一路从第四分流装置第一出口流出，经过预冷器热侧降温后，进入主压缩机升压，然后进入高温回热器冷侧升温，之后进入第四合流装置第一入口；另一路从第四分流装置第二出口流出，经过分流阀进入再压缩机升压，然后进入第四合流装置第二入口，两路汇流后从第四合流装置出口流出进入第五分流装置再分流，一路从第五分流装置第一出口流出进入低温回热器冷侧升温，然后进入第五合流装置第一入口，另一路从第五分流装置第二出口流出，经过再分流阀进入低温氦气-超临界二氧化碳换热器超临界二氧化碳侧升温，然后进入第五合流装置第二入口，两路汇流后从第五合流装置出口流出进入高温氦气-超临界二氧化碳换热器超临界二氧化碳侧入口。
本发明进一步的改进在于，通过调节第四合流和分流装置、第五合流和分流装置的开关状态，形成超临界二氧化碳布雷顿循环子系统三种不同循环构型，具体如下：
1)第四分流装置第一出口开启，第二出口关闭，第四合流装置第一入口开启，第二入口关闭，第五分流装置第一出口开启，第二出口关闭，第五合流装置第一入口开启，第二入口关闭，第二分流装置和第二合流装置第一出口开启，第二出口关闭，构成布雷顿简单循环；
2)第四分流装置第一出口和第二出口开启，第四合流装置第一入口和第二入口开启，第五分流装置第一出口开启，第二出口关闭，第五合流装置第一入口开启，第二入口关闭，第二分流装置和第二合流装置第一出口开启，第二出口关闭，构成布雷顿分流再压缩循环；
3)第四分流装置第一出口和第二出口开启，第四合流装置第一入口和第二入口开启，第五分流装置第一出口和第二出口开启，第五合流装置第一入口和第二入口开启，第二分流装置和第二合流装置第一出口关闭，第二出口开启，构成布雷顿分流再压缩再热膨胀循环。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明的一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统，包括反应堆回路子系统、熔盐储热子系统、超临界二氧化碳布雷顿循环系统，通过熔盐储能子系统的蓄热和放热功能，解决反应堆在变化应用场景下能量输出不稳定问题，确保超临界二氧化碳布雷顿循环回路主气参数的稳定性，提高发电品质；通过调节超临界二氧化碳布雷顿循环子系统的构型，适应反应堆在不同应用场景下的热功转换需求，确保变工况条件下超临界二氧化碳布雷顿循环子系统对热量的高效利用。针对气冷微堆的应用场景，本发明的稳定高效的能源转换系统，能够为偏远地区孤岛运行提供稳定高品质电力，并且有助于推动核能技术的发展，助力我国双碳目标的实现。
附图说明
图1为本发明的整体系统结构示意图。
其中，1-1为气冷微堆、1-2为第一分流装置、1-3为氦气阀、1-4为第一合流装置、1-5为高温氦气-超临界二氧化碳换热器、1-6为第二分流装置、1-7为第二合流装置、1-8为低温氦气-超临界二氧化碳换热器、1-9为氦气风机、1-10为氦气-熔盐换热器、2-1为低温熔盐罐、2-2为低温熔盐阀、2-3为低温熔盐泵、2-4为第三合流装置、2-5为第三分流装置、2-6为高温熔盐罐、2-7为高温熔盐阀、2-8为高温熔盐泵、3-1为透平、3-2为低温回热器、3-3为高温回热器、3-4为第四分流装置、3-5为预冷器、3-6为主压缩机、3-7为分流阀、3-8为再压缩机、3-9为第四合流装置、3-10为第五分流装置、3-11为再分流阀、3-12为第五合流装置、3-13为发电机。
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，本发明的一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统，包括反应堆回路子系统1、熔盐储能子系统2以及超临界二氧化碳布雷顿循环子系统3。
反应堆回路子系统1包括气冷微堆1-1、第一分流装置1-2、氦气阀1-3、第一合流装置1-4、高温氦气-超临界二氧化碳换热器1-5、第二分流装置1-6、第二合流装置1-7、低温氦气-超临界二氧化碳换热器1-8、氦气风机1-9以及氦气-熔盐换热器1-10。其中，气冷微堆1-1出口与第一分流装置1-2入口连接，第一分流装置1-2第一出口通过氦气阀1-3与第一合流装置1-4第一入口连接，第一分流装置1-2第二出口通过氦气-熔盐换热器1-10氦气侧与第一合流装置1-4第二入口连接，第一合流装置1-4出口与高温氦气-超临界二氧化碳换热器1-5氦气侧入口连接，高温氦气-超临界二氧化碳换热器1-5氦气侧出口与第二分流装置1-6入口连接，第二分流装置1-6第一出口与第二合流装置1-7第一入口连接，第二分流装置1-6第二出口通过低温氦气-超临界二氧化碳换热器1-8氦气侧与第二合流装置1-7第二入口连接，第二合流装置1-7出口通过氦气风机1-9与气冷微堆1-1入口连接。
通过调节第一分流装置1-2、第一合流装置1-4的开关状态，实现反应堆回路子系统1与熔盐储能子系统2、超临界二氧化碳布雷顿循环子系统3的不同耦合方案。
熔盐储能子系统2包括低温熔盐罐2-1、低温熔盐阀2-2、低温熔盐泵2-3、第三合流装置2-4、第三分流装置2-5、高温熔盐罐2-6、高温熔盐阀2-7以及高温熔盐泵2-8。其中，氦气-熔盐换热器1-10熔盐侧出口与第三分流装置2-5连接，第三分流装置2-5第二出口通过低温熔盐罐2-1、低温熔盐阀2-2、低温熔盐泵2-3与第三合流装置2-4第一入口连接，第三分流装置2-5第一出口通过高温熔盐罐2-6、高温熔盐阀2-7、高温熔盐泵2-8与第三合流装置2-4第二入口连接，第三合流装置2-4出口与氦气-熔盐换热器1-10熔盐侧入口连接。通过调节第三分流装置2-5、第三合流装置2-4的开关状态，实现熔盐储能系统2向反应堆回路子系统1的吸热或放热。
超临界二氧化碳布雷顿循环子系统3包括高温氦气-超临界二氧化碳换热器1-5超临界二氧化碳侧、低温氦气-超临界二氧化碳换热器1-8超临界二氧化碳侧、透平3-1、低温回热器3-2、高温回热器3-3、第四分流装置3-4、预冷器3-5、主压缩机3-6、分流阀3-7、再压缩机3-8、第四合流装置3-9、第五分流装置3-10、再分流阀3-11、第五合流装置3-12以及电机3-13。其中，高温氦气-超临界二氧化碳换热器1-5超临界二氧化碳侧出口与透平3-1入口连接，透平3-1出口经过低温回热器3-2热侧和高温回热器3-3热侧与第四分流装置3-4入口连接，第四分流装置3-4第一出口通过预冷器3-5热侧、主压缩机3-6、高温回热器3-3冷侧与第四合流装置3-9第一入口连接，第四分流装置3-4第二出口通过分流阀3-7、再压缩机3-8与第四合流装置3-9第二入口连接，第四合流装置3-9出口与第五分流装置3-10入口连接，第五分流装置3-10第一出口通过低温回热器3-2冷侧与第五合流装置3-12第一入口连接，第五分流装置3-10第二出口通过再分流阀3-11、低温氦气-超临界二氧化碳换热器1-8超临界二氧化碳侧与第五合流装置3-12第二入口连接，第五合流装置3-12出口与高温氦气-超临界二氧化碳换热器1-5超临界二氧化碳侧入口连接。透平3-1、主压缩机3-6与再压缩机3-8同轴布置。通过调节第四分流装置3-4、第五分流装置3-10、第四合流装置3-9与第五合流装置3-12的开关，形成不同的布雷顿循环构型。
本发明的能量转换系统通过高温氦气-超临界二氧化碳换热器1-5和低温超临界二氧化碳换热器1-8实现热功转换，通过氦气-熔盐换热器1-10实现热量存储和释放。
作为本发明的优选实施方式，所述氦气-熔盐换热器1-10、高温氦气-超临界二氧化碳换热器1-5、低温氦气-超临界二氧化碳换热器1-8、低温回热器3-2、高温回热器3-3、预冷器3-5采用印刷电路板式换热器(PCHE)，以实现大换热量条件下超临界二氧化碳布雷顿循环换热器的紧凑、低阻和高效；所述主压缩机3-6工作在二氧化碳临界点附近，确保超临界二氧化碳布雷顿循环拥有较高的循环效率。
本发明通过调节氦气阀1-3、分流阀3-7、再分流阀3-11的流量分配，确保高效稳定的能量转换过程。
本发明的具体工作过程为：
反应堆回路子系统1中，氦气经过堆芯加热从气冷微堆1-1出口流向第一分流装置1-2分流为两路，一路从第一分流装置1-2第一出口流出后经过氦气阀1-3进入第一合流装置1-4第一入口，另一路从第一分流装置1-2第二出口流出后经过氦气-熔盐换热器1-10氦气侧放热或吸热，随后进入第一合流装置1-4第二入口，两路汇流后从第一合流装置1-4出口进入高温氦气-超临界二氧化碳换热器1-5氦气侧降温放热，随后进入第二分流装置1-6分流为两路，一路从第二分流装置1-6第一出口流出后直接进入第二合流装置1-7第一入口，另一路从第二分流装置1-6第二出口流出后进入低温氦气-超临界二氧化碳换热器1-8氦气侧降温放热，随后进入第二合流装置1-7第二入口，两路汇流后从第二合流装置1-7出口进入氦气风机1-9提升压力，随后进入气冷微堆1-1入口。通过调节第一合流装置1-4和第一分流装置1-2的开关状态，能够形成反应堆回路子系统1与熔盐储能子系统2、超临界二氧化碳布雷顿循环子系统2间的不同耦合方式：
1)第一分流装置1-2第一出口开启，第二出口关闭，第一合流装置1-4第一入口开启，第二入口关闭，气冷微堆回路子系统1直接与超临界二氧化碳布雷顿循环子系统3耦合，实现气冷微堆满功率运行下的热功转换；
2)第一分流装置1-2第一出口开启，第二出口开启，第一合流装置1-4第一入口开启，第二入口开启，反应堆回路子系统1与熔盐储能子系统2以及超临界二氧化碳布雷顿循环子系统3耦合，实现在气冷微堆1-1升功率时，熔盐储能子系统2吸热以存储反应堆回路子系统1多余热量，或在气冷微堆1-1降功率时，熔盐储能子系统2放热以补充反应堆回路子系统1热量，通过氦气阀1-3控制气冷微堆1-1出口氦气的流量分配，保证热功转换系统的稳定运行。
熔盐储能子系统2中，通过调节第三合流装置2-4和第三分流装置2-4的开关状态，能够发挥熔盐储能子系统在气冷微堆升降功率时的不同功能。具体的过程如下：
1)在气冷微堆升功率时，第三分流装置2-5第一出口开启，第二出口关闭，第三合流装置2-4第一入口开启，第二入口关闭，高温熔盐阀2-7关闭，低温熔盐从低温熔盐罐2-1出口流出，经过低温熔盐阀2-2后，由低温熔盐泵2-3输送至第三合流装置2-4第一入口，从第三合流装置2-4流出后进入氦气-熔盐换热器1-10熔盐侧吸收热量降低氦气侧温度，随后进入第三分流装置2-5，经由第三分流装置2-5第一出口流出进入高温熔盐罐2-6；
2)在气冷微堆降功率时，第三分流装置2-5第一出口关闭，第二出口开启，第三合流装置2-4第一入口关闭，第二入口开启，低温熔盐阀2-2关闭，高温熔盐从高温熔盐罐2-6出口流出，经过高温熔盐阀2-7后，由高温熔盐泵2-8输送至第三合流装置2-4第二入口，从第三合流装置2-4流出后进入氦气-熔盐换热器1-10熔盐侧释放热量提升氦气侧温度，随后进入第三分流装置2-5，从第三分流装置2-5第二出口流出进入低温熔盐罐2-1。两种方法均可保证气冷微堆升降功率时发电系统的稳定运行。
超临界二氧化碳布雷顿循环子系统3中，超临界二氧化碳经过高温氦气-超临界二氧化碳换热器1-5超临界二氧化碳侧升温后，进入透平3-1膨胀做功，随后经过低温回热器3-2热侧和高温回热器3-3热侧降温后，进入第四分流装置3-4分流为两路，一路从第四分流装置3-4第一出口流出，经过预冷器3-5热侧降温后，进入主压缩机3-6升压，随后进入高温回热器3-3冷侧升温，之后进入第四合流装置3-9第一入口；另一路从第四分流装置3-4第二出口流出，经过分流阀3-7进入再压缩机3-8升压，随后进入第四合流装置3-9第二入口，两路汇流后从第四合流装置3-9出口流出进入第五分流装置3-10再分流，一路从第五分流装置3-10第一出口流出进入低温回热器3-2冷侧升温，随后进入第五合流装置3-12第一入口，另一路从第五分流装置3-10第二出口流出，经过再分流阀3-11进入低温氦气-超临界二氧化碳换热器1-8超临界二氧化碳侧升温，随后进入第五合流装置3-12第二入口，两路汇流后从第五合流装置3-12出口流出进入高温氦气-超临界二氧化碳换热器1-5超临界二氧化碳侧入口。通过调节第四合流和分流装置、第五合流和分流装置的开关状态，形成超临界二氧化碳布雷顿循环子系统三种不同循环构型，具体如下：
1)第四分流装置3-4第一出口开启，第二出口关闭，第四合流装置3-9第一入口开启，第二入口关闭，第五分流装置3-10第一出口开启，第二出口关闭，第五合流装置3-12第一入口开启，第二入口关闭，配合第二分流装置1-6和第二合流装置1-7第一出口开启，第二出口关闭，构成布雷顿简单循环；
2)第四分流装置3-4第一出口开启，第二出口开启，第四合流装置3-9第一入口开启，第二入口开启，第五分流装置3-10第一出口开启，第二出口关闭，第五合流装置3-12第一入口开启，第二入口关闭，配合第二分流装置1-6和第二合流装置1-7第一出口开启，第二出口关闭，构成布雷顿分流再压缩循环；
3)第四分流装置3-4第一出口开启，第二出口开启，第四合流装置3-9第一入口开启，第二入口开启，第五分流装置3-10第一出口开启，第二出口开启，第五合流装置3-12第一入口开启，第二入口开启，配合第二分流装置1-6和第二合流装置1-7第一出口关闭，第二出口开启，构成布雷顿分流再压缩再热膨胀循环。
采用上述具体操作时，通过熔盐储能子系统2的蓄热和放热功能，解决反应堆在变化应用场景下能量输出不稳定问题，确保超临界二氧化碳布雷顿循环回路主气参数的稳定性，提高发电品质；通过调节超临界二氧化碳布雷顿循环子系统3的构型，适应反应堆在不同应用场景下的热功转换需求，确保变工况条件下超临界二氧化碳布雷顿循环子系统3对热量的高效利用。
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 (5)

1.一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统的能量转化方法，其特征在于，包括以下步骤：
氦气经过堆芯加热从气冷微堆（1-1）出口流向第一分流装置（1-2）分流为两路，一路从第一分流装置（1-2）第一出口流出后进入第一合流装置（1-4）第一入口，另一路从第一分流装置（1-2）第二出口流出后经过氦气-熔盐换热器（1-10）氦气侧放热或吸热，然后进入第一合流装置（1-4）第二入口，两路汇流后从第一合流装置（1-4）出口进入高温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-5）氦气侧降温放热，然后进入第二分流装置（1-6）分流为两路，一路从第二分流装置（1-6）第一出口流出后直接进入第二合流装置（1-7）第一入口，另一路从第二分流装置（1-6）第二出口流出后进入低温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-8）氦气侧降温放热，然后进入第二合流装置（1-7）第二入口，两路汇流后从第二合流装置（1-7）出口进入气冷微堆（1-1）入口；通过高温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-5）和低温超临界二氧化碳换热器（1-8）实现热功转换，通过氦气-熔盐换热器（1-10）实现热量存储和释放；
通过调节第一合流装置（1-4）和第一分流装置（1-2）的开关状态，能够形成反应堆回路子系统（1）与熔盐储能子系统（2）、超临界二氧化碳布雷顿循环子系统（3）间的不同耦合方式，具体包括：
1）第一分流装置（1-2）第一出口开启，第二出口关闭，第一合流装置（1-4）第一入口开启，第二入口关闭，气冷微堆回路子系统直接与超临界二氧化碳布雷顿循环子系统（3）耦合，实现气冷微堆满功率运行下的热功转换；
2）第一分流装置（1-2）第一出口和第二出口开启，第一合流装置（1-4）第一入口和第二入口开启，反应堆回路子系统（1）与熔盐储能子系统（2）以及超临界二氧化碳布雷顿循环子系统（3）耦合，实现在气冷微堆（1-1）升功率时，熔盐储能子系统（2）吸热以存储反应堆回路子系统（1）多余热量，或在气冷微堆（1-1）降功率时，熔盐储能子系统（2）放热以补充反应堆回路子系统（1）热量；
通过调节第三合流装置（2-4）和第三分流装置（2-5）的开关状态，能够发挥熔盐储能子系统（2）在气冷微堆升降功率时的不同功能，具体如下：
1）在气冷微堆升功率时，第三分流装置（2-5）第一出口开启，第二出口关闭，第三合流装置（2-4）第一入口开启，第二入口关闭，高温熔盐阀（2-7）关闭，低温熔盐从低温熔盐罐（2-1）出口流出，经过低温熔盐阀（2-2）后，由低温熔盐泵（2-3）输送至第三合流装置（2-4）第一入口，从第三合流装置（2-4）流出后进入氦气-熔盐换热器（1-10）熔盐侧吸收热量降低氦气侧温度，然后进入第三分流装置（2-5），经由第三分流装置（2-5）第一出口流出进入高温熔盐罐（2-6）；
2）在气冷微堆降功率时，第三分流装置（2-5）第一出口关闭，第二出口开启，第三合流装置（2-4）第一入口关闭，第二入口开启，低温熔盐阀（2-2）关闭，高温熔盐从高温熔盐罐（2-6）出口流出，经过高温熔盐阀（2-7）后，由高温熔盐泵（2-8）输送至第三合流装置（2-4）第二入口，从第三合流装置（2-4）流出后进入氦气-熔盐换热器（1-10）熔盐侧释放热量提升氦气侧温度，然后进入第三分流装置（2-5），从第三分流装置（2-5）第二出口流出进入低温熔盐罐（2-1）；
通过调节第四合流和分流装置、第五合流和分流装置的开关状态，形成超临界二氧化碳布雷顿循环子系统（3）三种不同循环构型，具体如下：
1）第四分流装置（3-4）第一出口开启，第二出口关闭，第四合流装置（3-9）第一入口开启，第二入口关闭，第五分流装置（3-10）第一出口开启，第二出口关闭，第五合流装置（3-12）第一入口开启，第二入口关闭，第二分流装置（1-6）和第二合流装置（1-7）第一出口开启，第二出口关闭，构成布雷顿简单循环；
2）第四分流装置（3-4）第一出口和第二出口开启，第四合流装置（3-9）第一入口和第二入口开启，第五分流装置（3-10）第一出口开启，第二出口关闭，第五合流装置（3-12）第一入口开启，第二入口关闭，第二分流装置（1-6）和第二合流装置（1-7）第一出口开启，第二出口关闭，构成布雷顿分流再压缩循环；
3）第四分流装置（3-4）第一出口和第二出口开启，第四合流装置（3-9）第一入口和第二入口开启，第五分流装置（3-10）第一出口和第二出口开启，第五合流装置（3-12）第一入口和第二入口开启，第二分流装置（1-6）和第二合流装置（1-7）第一出口关闭，第二出口开启，构成布雷顿分流再压缩再热膨胀循环。
2.根据权利要求1所述的能量转化方法，其特征在于，超临界二氧化碳经过高温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-5）超临界二氧化碳侧升温后，进入透平（3-1）膨胀做功，然后经过低温回热器（3-2）热侧和高温回热器（3-3）热侧降温后，进入第四分流装置（3-4）分流为两路，一路从第四分流装置（3-4）第一出口流出，经过预冷器（3-5）热侧降温后，进入主压缩机（3-6）升压，然后进入高温回热器（3-3）冷侧升温，之后进入第四合流装置（3-9）第一入口；另一路从第四分流装置（3-4）第二出口流出，经过分流阀（3-7）进入再压缩机（3-8）升压，然后进入第四合流装置（3-9）第二入口，两路汇流后从第四合流装置（3-9）出口流出进入第五分流装置（3-10）再分流，一路从第五分流装置（3-10）第一出口流出进入低温回热器（3-2）冷侧升温，然后进入第五合流装置（3-12）第一入口，另一路从第五分流装置（3-10）第二出口流出，经过再分流阀（3-11）进入低温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-8）超临界二氧化碳侧升温，然后进入第五合流装置（3-12）第二入口，两路汇流后从第五合流装置（3-12）出口流出进入高温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-5）超临界二氧化碳侧入口。
3.一种如权利要求1所述的方法采用的耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统，其特征在于，包括相连的反应堆回路子系统（1）、熔盐储能子系统（2）以及具有不同构型的超临界二氧化碳布雷顿循环子系统（3）；
反应堆回路子系统（1）包括气冷微堆（1-1）、第一分流装置（1-2）、第一合流装置（1-4）、高温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-5）、第二分流装置（1-6）、第二合流装置（1-7）、低温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-8）以及氦气-熔盐换热器（1-10）；其中，气冷微堆（1-1）出口与第一分流装置（1-2）入口连接，第一分流装置（1-2）第一出口通过与第一合流装置（1-4）第一入口连接，第一分流装置（1-2）第二出口通过氦气-熔盐换热器（1-10）氦气侧与第一合流装置（1-4）第二入口连接，第一合流装置（1-4）出口与高温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-5）氦气侧入口连接，高温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-5）氦气侧出口与第二分流装置（1-6）入口连接，第二分流装置（1-6）第一出口与第二合流装置（1-7）第一入口连接，第二分流装置（1-6）第二出口通过低温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-8）氦气侧与第二合流装置（1-7）第二入口连接，第二合流装置（1-7）出口与气冷微堆（1-1）入口连接；氦气-熔盐换热器（1-10）熔盐侧与熔盐储能子系统（2）相连，低温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-8）以及高温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-5）超临界二氧化碳侧均与超临界二氧化碳布雷顿循环子系统（3）相连；
超临界二氧化碳布雷顿循环子系统（3）包括透平（3-1）、低温回热器（3-2）、高温回热器（3-3）、第四分流装置（3-4）、预冷器（3-5）、主压缩机（3-6）、分流阀（3-7）、再压缩机（3-8）、第四合流装置（3-9）、第五分流装置（3-10）、再分流阀（3-11）、第五合流装置（3-12）以及电机（3-13）；其中，高温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-5）超临界二氧化碳侧出口与透平（3-1）入口连接，透平（3-1）出口经过低温回热器（3-2）热侧和高温回热器（3-3）热侧与第四分流装置（3-4）入口连接，第四分流装置（3-4）第一出口通过预冷器（3-5）热侧、主压缩机（3-6）、高温回热器（3-3）冷侧与第四合流装置（3-9）第一入口连接，第四分流装置（3-4）第二出口通过分流阀（3-7）、再压缩机（3-8）与第四合流装置（3-9）第二入口连接，第四合流装置（3-9）出口与第五分流装置（3-10）入口连接，第五分流装置（3-10）第一出口通过低温回热器（3-2）冷侧与第五合流装置（3-12）第一入口连接，第五分流装置（3-10）第二出口通过再分流阀（3-11）、低温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-8）超临界二氧化碳侧与第五合流装置（3-12）第二入口连接，第五合流装置（3-12）出口与高温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-5）超临界二氧化碳侧入口连接；
透平（3-1）、主压缩机（3-6）与再压缩机（3-8）同轴布置；
所述氦气-熔盐换热器（1-10）、高温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-5）、低温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-8）采用印刷电路板式换热器。
4.根据权利要求3所述的耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统，其特征在于，熔盐储能子系统（2）包括低温熔盐罐（2-1）、低温熔盐阀（2-2）、低温熔盐泵（2-3）第三合流装置（2-4）、第三分流装置（2-5）、高温熔盐罐（2-6）、高温熔盐阀（2-7）以及高温熔盐泵（2-8）；其中，氦气-熔盐换热器（1-10）熔盐侧出口与第三分流装置（2-5）连接，第三分流装置（2-5）第二出口通过低温熔盐罐（2-1）、低温熔盐阀（2-2）、低温熔盐泵（2-3）与第三合流装置（2-4）第一入口连接，第三分流装置（2-5）第一出口通过高温熔盐罐（2-6）、高温熔盐阀（2-7）、高温熔盐泵（2-8）与第三合流装置（2-4）第二入口连接，第三合流装置（2-4）出口与氦气-熔盐换热器（1-10）熔盐侧入口连接。
5.根据权利要求3所述的耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统，其特征在于，所述氦气-熔盐换热器（1-10）、高温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-5）、低温氦气-超临界二氧化碳换热器（1-8）、低温回热器（3-2）、高温回热器（3-3）、预冷器（3-5）采用印刷电路板式换热器。
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