CN120083577B - 一种耦合式热动力循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合式热动力循环系统，涉及能源运用技术领域，通过将膨胀后的第一工质和除氧后的第二工质输入换热器模块进行换热，有效实现了聚变反应堆热源应用中有机朗肯循环模块和布雷顿循环模块的耦合，一方面能够通过热传递降低第一工质的温度，以降低第一工质的冷却成本，另一方面还能够对布雷顿循环模块中的热量进行利用，减少废热的产生。此外，所述有机朗肯循环模块具有再热阶段，其能够有效提升耦合式热动力循环系统的能量转换效率。并且，耦合式热动力循环系统的参数基于焓值设置能够进一步提高系统热效率。

Description

一种耦合式热动力循环系统

技术领域

本发明涉及能源运用技术领域，尤其涉及一种耦合式热动力循环系统。

背景技术

相较于风能、光伏发电等不可调度的可再生能源，聚变能因其燃料几乎取之不尽，且作为可调度能源，具备进行大规模发电的前景。

在发电过程中，热力学循环是连接热能与电能的桥梁，合理的热力学循环能有效提高能源利用效率。然而，聚变反应堆产生的热量伴随着高温高压环境，且现有热力学循环应用于聚变反应堆时仍存在大量废热未被利用，严重制约着聚变能作为发电能源的广泛应用与发展。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种耦合式热动力循环系统，通过耦合布雷顿循环和有机朗肯循环，能够充分利用聚变反应堆的热能及发电过程产生的低品位废热，降低了整个系统产生的废热，具有良好的热性能。

本发明实施例提供了一种耦合式热动力循环系统，包括布雷顿循环模块、换热器模块和带再热阶段的有机朗肯循环模块；换热器模块包括第一通道和第二通道；

所述布雷顿循环模块的工质为第一工质，所述有机朗肯循环模块的工质为有机的第二工质；所述耦合式热动力循环系统的参数根据第一工质和第二工质的焓变设定；

布雷顿循环模块与热源连接，用于将热源传递的热能转换为第一电能；第一通道的入口吸入经布雷顿循环模块膨胀后的第一工质，第二通道的入口吸入经有机朗肯循环模块经除氧后的第二工质，第一通道的出口和第二通道的出口分别将换热后的第一工质和第二工质输回布雷顿循环模块和有机朗肯循环模块；有机朗肯循环模块用于将换热器模块传递的热能转换为第二电能。

作为上述方案的改进，所述第一工质为超临界二氧化碳，所述第二工质为R245fa。

作为上述方案的改进，所述布雷顿循环模块包括第一透平单元、回热器、冷却器单元，压缩机单元、第一发电机；

热源连接第一透平单元的入口，第一透平单元的出口连接回热器的入口、第一发电机和第一通道的入口，回热器的第一出口连接热源，回热器的第二出口通过冷却器单元连接压缩机单元的入口，压缩机单元的出口连接回热器和第一透平单元的入口。

作为上述方案的改进，所述第一工质依次经过压缩机单元、第一透平单元、回热器、冷却器单元，再通入压缩机单元形成循环；经第一通道的出口输出的第一工质依次经过回热器和冷却器单元通入压缩机单元。

作为上述方案的改进，所述压缩机单元包括冷却器和依次连接的若干压缩机，相邻的所述压缩机间还设置冷却器。

作为上述方案的改进，所述第一透平单元包括依次连接的第一高压透平和第一低压透平，第一高压透平的入口为第一透平单元的入口，第一低压透平的出口为第一透平单元的出口。

作为上述方案的改进，所述有机朗肯循环模块包括第二透平单元、再热器、冷凝器、除氧器、混合器单元、抽汽管道单元和第二发电机；

第二透平单元包括第二高压透平和第二低压透平，混合器单元包括第一混合器、第二混合器、第三混合器，抽汽管道单元包括第一抽汽管道、第二抽汽管道和第三抽汽管道；

第二通道的出口连接第二高压透平的入口，第二高压透平的出口连接第二低压透平的入口和再热器的入口，再热器的出口连接第二低压透平的入口，第二低压透平的出口连接第二发电机和冷凝器的入口，冷凝器的出口与第一混合器的入口连接，第一混合器的出口连接第二混合器，第二混合器的出口与第一混合器的入口连接，并且第二混合器的出口连接除氧器的入口，除氧器的出口连接第三混合器的入口，第三混合器的出口连接除氧器的入口和第二通道的入口；第一抽汽管道将第二高压透平与第三混合器、再热器连接起来；第二抽汽管道连接第二低压透与第一混合器；第三抽汽管道连接第二低压透平与第二混合器。

作为上述方案的改进，所述第二工质依次经过除氧器、第三混合器、换热器模块、第二高压透平、再热器、第二低压透平、冷凝器、第一混合器和第二混合器，再通入除氧器形成循环；第二工质还通过第二高压透平进入第三混合器和再热器；第二工质还通过第二低压透平分别通入第一混合器和第二混合器。

作为上述方案的改进，所述有机朗肯循环模块还包括动力单元，动力单元包括第一泵和第二泵；第二工质通过动力单元进入有机朗肯循环模块；

第一泵设于冷凝器的出口与第一混合器的入口之间，第二泵设于除氧器的出口和第三混合器的入口之间。

作为上述方案的改进，所述有机朗肯循环模块还包括阀门单元，阀门单元包括第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门；

第一阀门设于第二通道的出口和第二高压透平的入口之间，第二阀门设于第二混合器的出口和第一混合器的入口之间；第三阀门设于第三混合器的出口和除氧器的入口之间；第四阀门设于第三混合器的出口与第二通道的入口之间。

与现有技术相比，本发明公开的一种耦合式热动力循环系统，通过将膨胀后的第一工质和除氧后的第二工质输入换热器模块进行换热，有效实现了有机朗肯循环模块和布雷顿循环模块的耦合，一方面能够通过热传递降低第一工质的温度，以降低第一工质的冷却成本，另一方面还能够对布雷顿循环模块中的热量进行利用，减少废热的产生。此外，所述有机朗肯循环具有再热阶段，其能够有效提升耦合式热动力循环系统的能量转换效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种耦合式热动力循环系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种布雷顿循环模块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的又一种布雷顿循环模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种有机朗肯循环的结构示意图。

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，所描述的实施例仅仅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作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。

在说明书和权利要求书的描述中，需要理解的是，在说明书和权利要求书中的术语第一、第二等仅用于区别相同技术特征的描述目的，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，也不一定描述次序或时间顺序。在合适的情况下术语是可以互换的。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

由于聚变反应堆具有高温高压的特点，在利用其进行能量转换和发电时，通常采用布雷顿循环或朗肯循环。但现有技术存在的问题至少在于布雷顿循环和朗肯循环都无法很好地利用低品位废热，导致发电过程中热能利用效率低，造成了大量损失。

基于上述思考，本发明实施例提供了一种耦合式热动力循环系统。请参见图1，在本实施例中，所述耦合式热动力循环系统，包括布雷顿循环模块1、换热器模块2和带再热阶段的有机朗肯循环模块3；换热器模块包括第一通道和第二通道；

所述布雷顿循环模块1的工质为第一工质，所述有机朗肯循环模块3的工质为有机的第二工质；所述耦合式热动力循环系统的参数根据第一工质和第二工质的焓变设定；

布雷顿循环模块1与热源连接，用于将热源传递的热能转换为第一电能；第一通道的入口吸入经布雷顿循环模块膨胀后的第一工质，第二通道的入口吸入经有机朗肯循环模块3经除氧后的第二工质，第一通道的出口和第二通道的出口分别将换热后的第一工质和第二工质输回布雷顿循环模块1和有机朗肯循环模块3；有机朗肯循环模块3用于将换热器模块2传递的热能转换为第二电能。

布雷顿循环模块能够对高温高压环境下聚变反应堆产生的热能进行能量循环转换，生成电能。但可以理解的，传统的布雷顿循环在运行过程中需要对其工质进行冷却，在冷却过程中会损失大量热能，极大地降低了对热能的利用效率。

本发明实施例通过将膨胀后的第一工质和除氧后的第二工质输入换热器模块进行换热，有效实现了聚变反应堆热源应用中有机朗肯循环模块和布雷顿循环模块的耦合，一方面能够通过热传递降低第一工质的温度，以降低第一工质的冷却成本，另一方面还能够对布雷顿循环模块中的热量进行利用，减少废热的产生。此外，所述有机朗肯循环模块具有再热阶段，其能够有效提升耦合式热动力循环系统的能量转换效率。耦合式热动力循环系统的参数基于焓值设置能够进一步提高系统热效率。

传统的朗肯循环使用水作为工质，其热力循环为水在锅炉中被加热为高温高压的水蒸气，水蒸气进入汽轮机膨胀做功，推动汽轮机转子旋转，从而带动发电机发电。做功后的乏汽进入冷凝器，被冷却凝结成水，然后由给水泵送回锅炉，完成一个循环。但可以理解的，由于水无法在较低温度下蒸发，不适用于低温范围的热源。而本发明实施例所述的有机朗肯循环模块中使用有机的第二工质，其能够对低品位废热进行能量转换。

还需要说明的是，传统的换热器模块随使用时长的增加，可能出现温度滑移，进而会导致热动力循环系统的热效率降低。考虑到现有技术中有机朗肯循环模块和布雷顿循环的温度曲线难以高效匹配，本发明实施例提出在进行耦合热动力循环系统的参数设定时根据第一工质和第二工质的焓变设定。示例性地，所述有机朗肯循环模块包括泵，用于抽取第二工质。根据泵连接线路下的第二工质的质量和焓值变化情况计算泵的功率。通过焓变情况设定耦合热动力循环系统的参数能够提高系统热效率，避免㶲损增大。

作为一种优选的实施方式，所述第一工质为超临界二氧化碳，所述第二工质为R245fa。

需要说明的是，工质为超临界二氧化碳的布雷顿循环模块通常在500-700℃下运行，工质为R245fa的有机朗肯循环模块通常在低于200℃的温度条件下运行。

在本发明实施例中，分别选用水、甲苯和R245fa作为第二工质进行系统的热性能分析，分析如表1所示。

表1不同第二工质对应的热性能

可以看出，R245fa相较于水或甲苯，能够在更低的压力下运行，并且其沸点较低。在本发明实施例中，综合考虑耦合式热力学循环系统中有机朗肯循环模块的运行条件，优选地采用R245fa作为第二工质。

作为一种优选的实施方式，请参见图2，所述布雷顿循环模块1包括第一透平单元11、回热器12、冷却器单元13，压缩机单元14、第一发电机15；

热源连接第一透平单元11的入口，第一透平单元11的出口连接回热器12的入口、第一发电机15和第一通道的入口，回热器12的第一出口连接热源，回热器12的第二出口通过冷却器单元13连接压缩机单元14的入口，压缩机单元14的出口连接回热器12和第一透平单元11的入口。

在上述方案中，第一透平单元11利用热源进行膨胀做功，将热能转换为机械能，带动第一发电机15发电，以实现能量转换。回热器12从第一透平单元11中回收余热，并将一部分剩余热量输入压缩机单元14，将另一部分剩余热量送回热源再次加热，提高了整个循环的热效率。冷却器单元13通过降温保证压缩机单元14的正常运行。压缩机单元14通过做功实现增能，为后续膨胀做功做准备。通过采用本发明实施例所述的布雷顿循环模块1，能够不断重复膨胀做功、余热回收、冷却、压缩过程，形成连续不断的循环，持续实现能量转换和发电。

本发明实施例给出了如图2和图3所示的布雷顿循环模块的结构示意图。需要说明的是，图2和图3的虚线部分为第一工质的流动路径，第一工质在所述布雷顿循环模块中循环流动。

在本发明一些优选的实施例中，预先对布雷顿循环模块中各节点下的温度和/或压力进行选定，以对耦合式热力学循环系统的具体参数进行准确设定。选定的温度和/或压力要求满足布雷顿循环模块和有机朗肯循环模块的工作温度和/或压力。

示例性地，预先选定的温度包括第一透平单元的出口温度为270℃，回热器的入口温度为210℃，回热器的出口温度为130℃、压力为8.65兆帕、热功率为300千瓦，压缩机单元的入口温度为32℃。基于设定的温度和/或压力得到初始的焓变，以进行参数设计。

进一步地，优选地，所述第一工质依次经过压缩机单元14、第一透平单元11、回热器12、冷却器单元13，再通入压缩机单元14形成循环；经第一通道的出口输出的第一工质依次经过回热器12和冷却器单元13通入压缩机单元14。

在本发明实施例中，第一工质在不同部件之间有序流动，使得系统在能量分配上更加灵活。

优选地，请参见图3，所述压缩机单元14包括冷却器和依次连接的若干压缩机，相邻的所述压缩机间还设置冷却器。

进一步地，在一些优选的实施例中，所述压缩机包括依次连接的第一压缩机141、第二压缩机142和第三压缩机143，冷却器包括第一冷却器144和第二冷却器145。其中，第一冷却器144设于第一压缩机141和第二压缩机142之间，第二冷却器145设于第二压缩机142和第三压缩机143之间。第一压缩机141的入口为压缩机单元14的入口，第三压缩机143的出口为压缩机单元14的出口。

通过在相邻的压缩机间设置冷却器能够降低每级压缩后的温度，减少压缩过程中的不可逆损失，提高压缩效率。并且多级压缩机可根据不同工况灵活调节压缩比和流量。

需要说明的是，在本发明实施例中，相邻压缩机之间存在两条流路，分别为从上级压缩机直接进入下级压缩机的流路，和从上级压缩机经冷却器进入下级压缩机的流路。在本发明实施例的图3中，通过实线和虚线来表示不同回路，实际运行中实线或虚线均对应着真实的物理连接关系。

优选地，所述第一透平单元11包括依次连接的第一高压透平111和第一低压透平112，第一高压透平111的入口为第一透平单元11的入口，第一低压透平112的出口为第一透平单元11的出口。

通过两级膨胀做功能够使得第一工质在不同压力阶段逐步膨胀做功，充分利用高温高压工质的能量，更高效地将热能转化为机械能。

作为一种优选的实施方式，请参见图4，所述有机朗肯循环模块3包括第二透平单元、再热器32、冷凝器33、除氧器34、混合器单元、抽汽管道单元和第二发电机37；

第二透平单元包括第二高压透平311和第二低压透平312，混合器单元包括第一混合器351、第二混合器352、第三混合器353，抽汽管道单元包括第一抽汽管道361、第二抽汽管道362和第三抽汽管道363；

第二通道的出口连接第二高压透平311的入口，第二高压透平311的出口连接第二低压透平312的入口和再热器32的入口，再热器32的出口连接第二低压透平312的入口，第二低压透平312的出口连接第二发电机37和冷凝器33的入口，冷凝器33的出口与第一混合器351的入口连接，第一混合器351的出口连接第二混合器352，第二混合器352的出口与第一混合器351的入口连接，并且第二混合器352的出口连接除氧器34的入口，除氧器34的出口连接第三混合器353的入口，第三混合器353的出口连接除氧器34的入口和第二通道的入口；第一抽汽管道361将第二高压透平311与第三混合器353、再热器32连接起来；第二抽汽管道362连接第二低压透平312与第一混合器351；第三抽汽管道363连接第二低压透平312与第二混合器352。

需要说明的是，有机朗肯循环模块的不同再热、抽汽设置会很大程度上对系统的热性能产生影响。并且，即使再热阶段相同，高压/低压透平的回热配置和位置也会改变功率转换系统的热性能。

在本发明的上述优选实施例中，有机朗肯循环模块通过第二高压透平和第二低压透平实现两级膨胀，并在两级膨胀间配备再热器，能够有效提高第二工质的品质，并且提高了第二工质进入第二低压透平的温度，使其在第二低压透平中膨胀做功的焓降增大，以提升机械功输出和能源利用效率。

还需要说明的是，传统的朗肯循环模块中采用水作为第二工质，其还需要在系统中配置汽水分离器，降低了能量转换效率。而本申请方案所采用的有机的第二工质中不含水分或水滴，因此无需配备汽水分离器。

此外，如本发明实施例所设置的抽汽管道单元能够对有机朗肯循环模块进行有效优化。

所述有机朗肯循环模块中共有三次抽汽。第一次抽汽将第二工质从第二高压透平抽出，进入第三混合器和再热器，实现能量的阶梯利用。第二次抽汽和第三次抽汽将第二工质从第二低压透平中抽出，分别进入第二混合器和第三混合器，能够灵活调整负荷，并且能够平衡有机朗肯循环模块的压力和温度。

在本发明实施例中，优选地，所述第二工质依次经过除氧器34、第三混合器353、换热器模块2、第二高压透平311、再热器32、第二低压透平312、冷凝器33、第一混合器351和第二混合器352，再通入除氧器34形成循环；第二工质还通过第二高压透平311进入第三混合器353和再热器32；第二工质还通过第二低压透平312分别通入第一混合器351和第二混合器352。

优选地，所述有机朗肯循环模块3还包括动力单元，动力单元包括第一泵381和第二泵382；第二工质通过动力单元进入有机朗肯循环模块3；

第一泵381设于冷凝器33的出口与第一混合器351的入口之间，第二泵382设于除氧器34的出口和第三混合器353的入口之间。

需要说明的是，动力单元的设置能够保证第二工质在系统中持续循环流动，实现能量的连续转换。第一泵设于冷凝器附近，能够使得冷凝器排出的液态工质能够在最短的距离和最小的阻力下被吸入泵内。减少管道阻力损失，降低泵的能耗，提高系统效率。在本发明实施例中，动力单元中泵的位置能够满足第二工质的流动要求，并且充分考虑到有机朗肯循环模块的布局和设备安装空间。

在一些优选的实施例中，第二工质通过动力单元进入有机朗肯循环模块中。需要说明的是，出于利用率和节能的考虑，并非动力单元的每一泵都从外界抽取第二工质进入循环，可以仅选取部分泵作为工质入口。

在另一些优选的实施例中，还可以是预先在有机朗肯循环模块中充入第二工质，在运行过程中利用循环中已有的第二工质进行热能转换。

优选地，所述有机朗肯循环模块还包括阀门单元，阀门单元包括第一阀门391、第二阀门392、第三阀门393和第四阀门394；

第一阀门391设于第二通道的出口和第二高压透平311的入口之间，第二阀门392设于第二混合器352的出口和第一混合器351的入口之间；第三阀门393设于第三混合器353的出口和除氧器34的入口之间；第四阀门394设于第三混合器353的出口与第二通道的入口之间。

通过调节阀门单元中阀门的开度，能够精确控制第二工质在系统各部件间的流量，并且能够将各部件的压力维系在预设范围内。阀门参数的设定需结合有机朗肯循环模块的设计压力和安全要求，以确保系统能够进行及时有效的安全保护。

需要说明的是，在本发明优选的实施例中，第二工质从第二混合器352中流出，经过第二阀门392流向第一混合器351，并与从第二抽汽管道362抽取的第二工质进行混合，再次经过第二混合器352进入除氧器34。

可以理解的，耦合式热动力循环系统的参数设计与架构设计同样重要，上述实施例中已说明在本发明中耦合式热动力循环系统的参数根据第一工质和第二工质的焓变设定。更为具体地说，是根据第一工质和第二工质经过各部件前后产生的焓变设定，这一过程中会充分考虑热容流率的变化，避免换热器模块的温度滑移导致热效率降低的问题。

为更好地理解和实施本发明实施例，以下将结合本发明附图所示的系统结构，给出一种耦合式热动力循环系统的配置方法。

本发明实施例提供一种耦合式热动力循环系统的配置方法，应用于上述耦合式热动力循环系统中，所述配置方法包括：

根据耦合式热动力循环系统的结构和工质的选择，进行热力学建模，得到热力学仿真模型；

在所述热力学仿真模型中基于热力学性能，对工质经过各部件时的焓变进行计算，得到各部件的性能指标；所述性能指标包括功率、效率；

根据所述性能指标，对所述热力学仿真模型进行初步配置及验证，获取验证结果；

根据所述验证结果，生成优化配置方案，采用所述优化配置方案对耦合式热动力循环系统进行配置。

在进行热力学仿真模型的建立及求解过程中，需遵循质量守恒定律、能量守恒定律、热力学定律。本发明实施例还将焓值的变化考虑进去。

在一些优选实施例中，根据质量守恒定律能够得到：

；；；

其中，为第二高压透平入口处第二工质的流量质量；为第三混合器从第二高压透平中抽取的第二工质的流量质量；为第二高压透平出口处第二工质的流量质量；为再热器中损失的第二工质的流量质量；为再热器出口处第二工质的流量质量；为第二混合器从第二低压透平中抽取的第二工质的流量质量；为第一混合器从第二低压透平中抽取的第二工质的流量质量；第二低压透平出口处第二工质的流量质量。

在配置了抽汽管道/抽汽点的实施例中，需要对抽汽管道/抽汽点的压力和温度进行设定，设定时根据出口温度的要求进行选取。

在本发明实施例中，第一抽汽管道连接第二高压透平的出口，在第一抽汽管道中的第二工质流动方向为从第二高压透平流向第三混合器。在实际应用中，一般在第三混合器上设置第一抽汽点，并将该第一抽汽点接入第一抽汽管道，以实现抽汽操作。抽汽点的参数设计是十分重要的，其对于系统的能量分配和回热效率都会产生影响，通过对第一抽汽管道的流体质量进行控制，能够有效均衡系统负荷，保证系统稳定运行。

在一些优选的实施例中，第一抽汽管道的质量流量表示为：

；

其中，为抽出的第二工质的质量流量；为第一抽汽点抽汽前后的焓值变化；为第二高压透平的入口处第二工质的质量流量；为第二工质从第三混合器流出时的焓值，为第二工质流入第三混合器时的焓值。

上述方案中，基于能量守恒定律，通过已知的质量流量和焓值参数来求解第一抽汽管道的入口的质量流量，能够有效充分考虑热容流率的变化对系统参数的影响。

第二抽汽管道连接第二低压透平和第二混合器，在第二抽汽管道中的第二工质流动方向为从第二低压透平流向第二混合器。在实际应用中，一般在第二混合器上设置第二抽汽点，并将该第二抽汽点接入第二抽汽管道，以实现抽汽操作。

在一些优选的实施例中，第二抽汽管道的质量流量表示为：

；

其中，为第二低压透平出口处的第二工质质量；和分别为第二混合器入口和出口处的第二工质的焓值；为第二抽汽点抽出的第二工质的质量流量；为第二抽汽点抽汽前后的焓值变化。

第三抽汽管道连接第二低压透平和第一混合器，在第三抽汽管道中的第二工质流动方向为从第二低压透平流向第一混合器。在实际应用中，一般在第二混合器上设置第三抽汽点，并将该第三抽汽点接入第三抽汽管道，以实现抽汽操作。

在一些优选的实施例中，第三抽汽管道的入口的质量流量表示为：

；

其中，为第一混合器入口处的第二工质的焓值；为第三抽汽点抽出的第二工质的质量流量；为第三抽汽点抽汽前后的焓值变化。

在进行模型参数优化时，需对系统的效率、功率等进行计算，以实现精准优化。

由于在透平单元的膨胀过程及动力单元对工质的压缩过程中必然会实现损失，泵的热效率表示为：

；

其中，为泵的对单位质量工质所做的实际功，包括了泵内部的各种损失；为假设泵内的压缩过程为等熵过程时所做的等熵功；为泵入口处工质的实际焓值；为泵入口处在等熵过程中的理想焓值；为泵出口在等熵过程中的理想焓值。

可以理解的，泵的功率同样是基于第二工质在其出入口的焓值计算得到的，表示为：

；

；

；

其中，为系统总功率；为第二高压透平功率；为第二低压透平功率；为常规损失功率；为泵功率；为第二发电机效率；为热耗率；为系统消耗热量；为系统中第二工质的流量质量；为第二工质的焓值损失。

为了使冷凝器在冷凝工作流体时具有更好的热性能，不能将冷凝器压力选择为饱和压力，这是因为若冷凝器压力过低，会增加末级透平的湿度，这会降低透平的寿命和效率。冷凝器参数的计算可表示为：

；

其中，为冷凝器中第二工质的质量；为蒸汽进入冷凝器时的焓值；为冷凝器中冷却水的质量流量；为冷却水进入冷凝器时的焓值；为蒸汽离开冷凝器时的焓值；为冷却水离开冷凝器时的焓值。

需要说明的是，再热阶段的设置也能够提升耦合式热力学循环系统的热性能。

经过验证发现，本发明实施例所述的耦合式热力学循环系统，相较于传统的用于聚变反应堆的热力学循环系统，有机朗肯循环模块中第二透平单元的等熵效率从0.85提升至0.92，并且随着透平等熵效率的提升，系统所做净功从77.64千瓦增加到82.23千瓦，而冷凝器提取的热量则从216.1千瓦降低至211.5千瓦。可以看出，通过采用本发明实施例能够有效从多方面提高热力学循环系统的热性能。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random AccessMemory，RAM）等。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种耦合式热动力循环系统，其特征在于，包括布雷顿循环模块、换热器模块和带再热阶段的有机朗肯循环模块；换热器模块包括第一通道和第二通道；

所述布雷顿循环模块的工质为第一工质，所述有机朗肯循环模块的工质为有机的第二工质；所述耦合式热动力循环系统的参数根据第一工质和第二工质的焓变设定；

布雷顿循环模块与热源连接，用于将热源传递的热能转换为第一电能；第一通道的入口吸入经布雷顿循环模块膨胀后的第一工质，第二通道的入口吸入经有机朗肯循环模块经除氧后的第二工质，第一通道的出口和第二通道的出口分别将换热后的第一工质和第二工质输回布雷顿循环模块和有机朗肯循环模块；有机朗肯循环模块用于将换热器模块传递的热能转换为第二电能；

所述布雷顿循环模块包括第一透平单元、回热器、冷却器单元、压缩机单元、第一发电机；

热源连接第一透平单元的入口，第一透平单元的出口连接回热器的入口、第一发电机和第一通道的入口，回热器的第一出口连接热源，回热器的第二出口通过冷却器单元连接压缩机单元的入口，压缩机单元的出口连接回热器和第一透平单元的入口；

所述第一透平单元包括依次连接的第一高压透平和第一低压透平，第一高压透平的入口为第一透平单元的入口，第一低压透平的出口为第一透平单元的出口；

所述有机朗肯循环模块包括第二透平单元、再热器、冷凝器、除氧器、混合器单元、抽汽管道单元和第二发电机；

第二透平单元包括第二高压透平和第二低压透平，混合器单元包括第一混合器、第二混合器、第三混合器，抽汽管道单元包括第一抽汽管道、第二抽汽管道和第三抽汽管道；

第二通道的出口连接第二高压透平的入口，第二高压透平的出口连接第二低压透平的入口和再热器的入口，再热器的出口连接第二低压透平的入口，第二低压透平的出口连接第二发电机和冷凝器的入口，冷凝器的出口与第一混合器的入口连接，第一混合器的出口连接第二混合器，第二混合器的出口与第一混合器的入口连接，并且第二混合器的出口连接除氧器的入口，除氧器的出口连接第三混合器的入口，第三混合器的出口连接除氧器的入口和第二通道的入口；第一抽汽管道将第二高压透平与第三混合器、再热器连接起来；第二抽汽管道连接第二低压透平与第一混合器；第三抽汽管道连接第二低压透平与第二混合器。

2.如权利要求1所述的一种耦合式热动力循环系统，其特征在于，所述第一工质为超临界二氧化碳，所述第二工质为R245fa。

3.如权利要求1所述的一种耦合式热动力循环系统，其特征在于，所述第一工质依次经过压缩机单元、第一透平单元、回热器、冷却器单元，再通入压缩机单元形成循环；经第一通道的出口输出的第一工质依次经过回热器和冷却器单元通入压缩机单元。

4.如权利要求1所述的一种耦合式热动力循环系统，其特征在于，所述压缩机单元包括冷却器和依次连接的若干压缩机，相邻的所述压缩机间还设置冷却器。

5.如权利要求1所述的一种耦合式热动力循环系统，其特征在于，所述第二工质依次经过除氧器、第三混合器、换热器模块、第二高压透平、再热器、第二低压透平、冷凝器、第一混合器和第二混合器，再通入除氧器形成循环；第二工质还通过第二高压透平进入第三混合器和再热器；第二工质还通过第二低压透平分别通入第一混合器和第二混合器。

6.如权利要求1所述的一种耦合式热动力循环系统，其特征在于，所述有机朗肯循环模块还包括动力单元，动力单元包括第一泵和第二泵；第二工质通过动力单元进入有机朗肯循环模块；

第一泵设于冷凝器的出口与第一混合器的入口之间，第二泵设于除氧器的出口和第三混合器的入口之间。

7.如权利要求1所述的一种耦合式热动力循环系统，其特征在于，所述有机朗肯循环模块还包括阀门单元，阀门单元包括第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门；

第一阀门设于第二通道的出口和第二高压透平的入口之间，第二阀门设于第二混合器的出口和第一混合器的入口之间；第三阀门设于第三混合器的出口和除氧器的入口之间；第四阀门设于第三混合器的出口与第二通道的入口之间。