CN115523001A - 一种基于储能和引射释能的核动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于储能和引射释能的核动力系统，反应堆的输入端连接布雷顿循环子系统，反应堆的输出端经引射子系统与布雷顿循环子系统的透平连接，透平经驱发一体电机连接主压缩机，在系统启动和停止时，驱发一体电机作为电动机运行，消耗电能带动主压缩机启动；当有净功率输出时，驱发一体电机作为发电机运行，将电机主轴的动能转化为电能输出。本发明可减少系统在用户需求功率波动时反应堆的频繁调节，确保主压缩机、再压压缩机、透平运行在高效率区间，提升核动力系统在变工况条件下的能源利用效率。

Description

一种基于储能和引射释能的核动力系统
技术领域
本发明属于核能发电技术领域，具体涉及一种基于储能和引射释能的核动力系统。
背景技术
核能是一种清洁高效的能源，核能的高效利用在优化能源结构，减少环境污染，促进经济能源可持续发展有着重要意义。布雷顿循环系统因其结构紧凑、效率高等特点可实现核能利用的紧凑化和高效化。
在传统核动力系统中，系统发电功率需与用户需求匹配，在大电网中，可通过电网来消纳功率波动；在局域电网中，由于反应堆调控速度及功率响应速度较慢，可通过透平流量调节阀或透平流量旁通阀等措施实现系统发电功率与用户需求功率的匹配。
传统核动力功率调节系统中，采用流量调节阀调整透平流量时会减少系统流量，改变反应堆中工质状态，不利于反应堆的安全稳定运行。采用流量旁通阀时会使高温气流在未做功的情况下被冷却，导致能量的浪费，循环系统效率降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于储能和引射释能的核动力系统，将储能系统应用于核动力系统中，同时通过引射器实现了能量的释放；用于解决核动力功率调节系统中功率调节时反应堆出口工质状态变化大以及循环系统能量浪费的技术问题，有效减小反应堆运行时功率调节的频率。
本发明采用以下技术方案：
一种基于储能和引射释能的核动力系统，包括反应堆，反应堆的输入端连接布雷顿循环子系统，反应堆的输出端经引射子系统与布雷顿循环子系统的透平连接，透平经驱发一体电机连接主压缩机，在系统启动和停止时，驱发一体电机作为电动机运行，消耗电能带动主压缩机启动；当有净功率输出时，驱发一体电机作为发电机运行，将电机主轴的动能转化为电能输出。
具体的，引射子系统包括引射器，反应堆经储能分流阀分两路，一路与引射器的工作流体端连接，另一路经高压储罐与引射器的引射流体端连接，引射器的出口压缩流体端与透平的入口端连接。
进一步的，储能分流阀与高压储罐之间的管道上设置有储能阀，高压储罐与引射器之间的管道上设置有释能阀。
具体的，主压缩机的出口端依次经低温回热器的冷侧和高温回热器的冷侧连接至反应堆的输入端。
具体的，透平的出口端依次经高温回热器的热侧和低温冷却器的热侧后经再压缩分流阀分两路，一路连接至主压缩机，另一路经再压压缩机连接高温回热器的冷侧和低温冷却器的冷侧。
进一步的，再压缩分流阀与主压缩机之间依次设置有预冷器和低压储罐。
进一步的，高温回热器的冷侧和低温冷却器的冷侧之间的管道上设置有混合阀，混合阀的一端与再压压缩机的出口端连接。
进一步的，再压压缩机连接有再压缩机电机。
具体的，布雷顿循环子系统的工质为二氧化碳、氮气、氦气或空气。
具体的，主压缩机和透平同轴布置。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
一种基于储能和引射释能的核动力系统，在系统启动和停止时，驱发一体电机谁作为电动机运行，消耗电能带动主压缩机启动；当有净功率输出时，驱发一体电机谁作为发电机运行，将电机主轴的动能转化为电能输出，实现反应堆功率与用电负荷不平衡时对系统输出功率的调节，减少反应堆功率调节频率，保证反应堆安全。
进一步的，反应堆经储能分流阀分两路，一路与引射器的工作流体端连接，另一路经高压储罐与引射器的引射流体端连接，引射器的出口压缩流体端与透平的入口端连接，实现反应堆能量的储存和释放，根据需求调节用电负荷功率。
进一步的，通过储能阀和释能阀实现系统储能和释能工况的切换。
进一步的，主压缩机的出口端依次经低温回热器的冷侧和高温回热器的冷侧连接至反应堆的输入端，可实现对透平排气余热的有效利用，提升系统热效率。
进一步的，透平的出口端依次经高温回热器的热侧和低温冷却器的热侧后经再压缩分流阀分两路，可避免因换热器“夹点”问题导致的换热器性能下降问题。
进一步的，再压缩分流阀可实现再压缩流体和主流流体的流量分配，预冷器可实现对主流流体的温度降低，提升主压缩机效率。
进一步的，高温回热器的冷侧和低温冷却器的冷侧之间设置混合阀可实现主压缩机出口端的主流流体与再压缩机出口端的再压缩流体的混合，提高反应堆入口流量。
进一步的，通过再压压缩机连接的电机可提供再压压缩机在启停及功率调节中的动力来源。
进一步的，布雷顿循环子系统的工质选用二氧化碳、氮气、氦气、或空气对环境无污染，对人体无害。
进一步的，主压缩机和透平同轴布置可缩减系统占地空间，提高系统紧凑度。
综上所述，本发明可减少系统在用户需求功率波动时反应堆的频繁调节，确保主压缩机、再压压缩机、透平运行在高效率区间，提升核动力系统在变工况条件下的能源利用效率。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明系统示意图。
其中：1.主压缩机；2.透平；3.再压压缩机；4.低温回热器；5.高温回热器；6.反应堆；7.储能分流阀；8.引射器；9.高压储罐；10.驱发一体电机；11.电机主轴；12.预冷器；13.低压储罐；14.再压缩分流阀；15.混合阀；16.储能阀；17.释能阀；18.再压压缩机电机。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。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。
本发明提供了一种基于储能和引射释能的核动力系统，采用布雷顿循环子系统和引射子系统，能够减少核动力系统在用户需求功率波动时反应堆的频繁调节，确保主压缩机、再压压缩机、透平运行在高效率区间，提升核动力系统在变工况条件下的能源利用效率。
请参阅图1，本发明一种基于储能和引射释能的核动力系统，包括布雷顿循环子系统和引射子系统，布雷顿循环子系统包括：主压缩机1、透平2、再压压缩机3、低温回热器4、高温回热器5、反应堆6、预冷器12、低压储罐13及阀门、仪表；引射子系统包括引射器8、高压储罐9及阀门、仪表；引射子系统可为布雷顿子系统提供符合负荷需求的工质流量，满足系统发电要求。
主压缩机1的出口端依次经低温回热器4的冷侧、混合阀15和高温回热器5的冷侧连接至反应堆6的入口端，反应堆6的出口端经储能分流阀7分两路，一路与引射器8的工作流体端连接，另一路经储能阀16、高压储罐9和释能阀17与引射器8的引射流体端连接；引射器8的出口压缩流体端依次经透平2、高温冷却器5的热侧和低温冷却器4的热侧后经再压缩分流阀14分两路，一路经再压压缩机3与混合阀15连接，另一路依次经预冷器12和低压储罐13与主压缩机1的入口端连接；核动力系统在系统启动和停止时作为电动机运行，消耗电能带动主压缩机1启动；当有净功率输出时作为发电机运行，将电机主轴11的动能转化为电能输出。
再压压缩机3连接有再压压缩机电机18，驱动再压压缩机运行并满足再压压缩机启动和运行中的功率需求。
布雷顿循环子系统的工质为二氧化碳、氮气或空气。
主压缩机1和透平2采用同轴布置，主压缩机1、驱发一体电机10、透平2通过电机主轴11连接，透平2输出的电功率通过驱发一体电机10产生电能。
本发明一种基于储能和引射释能的核动力系统的工作流程如下：
透平2的排气经高温冷却器和低温冷却器冷却后经再压缩分流阀14分为两股流体，一股流体经预冷器12冷却后储存在低压储罐13中，另一股流体经再压压缩机3压缩后通过混合阀15汇入低温回热器4和高温回热器5的中间管道。
储存在低压储罐13内的工质经主压缩机1升压后在低温回热器4的冷侧吸收热量后与再压压缩机3的排气汇合，之后在高温回热器5的冷侧吸收热量后通入反应堆6；工质在反应堆6中吸收热量后根据用户功率需求按照储能工况或释能工况运行。
当用户负荷降低时，本发明核动力系统运行在储能工况，该工况下储能阀16打开，释能阀17关闭，反应堆6出口的工质分作两股：一股工质通过储能阀16进入高压储罐9，将高温高压的工质进行储存；另一股工质经引射器8后进入透平2进行膨胀做功，由于进入透平2的工质流量降低，透平2的输出功率减小；做功后的透平2排气依次在高温回热器5和低温回热器4中释放热量完成循环。
储能工况下，反应堆6的功率在用户功率小于系统当前输出功率时保持不变，主压缩机1进出口参数保持不变，再压压缩机3运行在设计工况附近，透平2运行在低流量高效率工况区间。
当用户负荷升高时，本发明核动力系统运行在释能工况，该工况下储能阀16关闭，释能阀17打开；反应堆6出口的工质进入引射器8作为动力流体，将高压储罐9中的高温工质引射至透平2中进行膨胀做功，由于引射器8的引射作用，透平2的入口工质流量升高，导致透平2输出功率增大；做功后的透平2排气依次在高温回热器5和低温回热器4中释放热量完成循环；
释能工况下，反应堆6的功率在用户功率大于系统当前输出功率时保持不变，主压缩机1进出口参数保持不变，再压压缩机3运行在设计工况附近，透平2运行在高流量高效率工况区间。
综上所述，本发明一种基于储能和引射释能的核动力系统，实现了反应堆在负荷波动时的稳定运行；在运行时可根据用户的功率需求进行能量存储及释放，当用户功率需求波动时，反应堆可维持在设计工况或当前运行工况，无需进行频繁调节；实现了同轴一体式压缩机和透平在变工况条件下的高效运行。由于透平在变工况条件下的高效运行范围比压缩机大，在变工况运行时可使压缩机运行在设计点附近的高效区，同时透平运行在具有较高效率的工况点附近，保证了同轴一体式压缩机和透平的综合效率较高；减少了功率调节时核动力系统因旁通流量导致的能量浪费。所在运行时根据用户功率需求将能量进行储存和释放，无旁通流量导致的能量浪费。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于储能和引射释能的核动力系统，其特征在于，包括反应堆(6)，反应堆(6)的输入端连接布雷顿循环子系统，反应堆(6)的输出端经引射子系统与布雷顿循环子系统的透平(2)连接，透平(2)经驱发一体电机(10)连接主压缩机(1)，在系统启动和停止时，驱发一体电机(10)作为电动机运行，消耗电能带动主压缩机(1)启动；当有净功率输出时，驱发一体电机(10)作为发电机运行，将电机主轴(11)的动能转化为电能输出。
2.根据权利要求1所述的基于储能和引射释能的核动力系统，其特征在于，引射子系统包括引射器(8)，反应堆(6)经储能分流阀(7)分两路，一路与引射器(8)的工作流体端连接，另一路经高压储罐(9)与引射器(8)的引射流体端连接，引射器(8)的出口压缩流体端与透平(2)的入口端连接。
3.根据权利要求2所述的基于储能和引射释能的核动力系统，其特征在于，储能分流阀(7)与高压储罐(9)之间的管道上设置有储能阀(16)，高压储罐(9)与引射器(8)之间的管道上设置有释能阀(17)。
4.根据权利要求1所述的基于储能和引射释能的核动力系统，其特征在于，主压缩机(1)的出口端依次经低温回热器(4)的冷侧和高温回热器(5)的冷侧连接至反应堆(6)的输入端。
5.根据权利要求1所述的基于储能和引射释能的核动力系统，其特征在于，透平(2)的出口端依次经高温回热器(5)的热侧和低温冷却器(4)的热侧后经再压缩分流阀(14)分两路，一路连接至主压缩机(1)，另一路经再压压缩机(3)连接高温回热器(5)的冷侧和低温冷却器(4)的冷侧。
6.根据权利要求5所述的基于储能和引射释能的核动力系统，其特征在于，再压缩分流阀(14)与主压缩机(1)之间依次设置有预冷器(12)和低压储罐(13)。
7.根据权利要求5所述的基于储能和引射释能的核动力系统，其特征在于，高温回热器(5)的冷侧和低温冷却器(4)的冷侧之间的管道上设置有混合阀(15)，混合阀(15)的一端与再压压缩机(3)的出口端连接。
8.根据权利要求5所述的基于储能和引射释能的核动力系统，其特征在于，再压压缩机(3)连接有再压缩机电机(18)。
9.根据权利要求1所述的基于储能和引射释能的核动力系统，其特征在于，布雷顿循环子系统的工质为二氧化碳、氮气、氦气或空气。
10.根据权利要求1所述的基于储能和引射释能的核动力系统，其特征在于，主压缩机(1)和透平(2)同轴布置。
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