CN205104244U - 采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统，包括用于提供热源的一回路、隔离回路及将热能转换成电能的三回路，一回路上设有以熔盐为冷却剂的核反应堆，三回路内的工质为超临界二氧化碳，三回路上设有透平、发电机、回热器组、冷却器以及主压气机，一第二换热器的二次侧出口通过透平、回热器组的高温侧、冷却器、主压气机、回热器组的低温侧后与第二换热器的二次侧入口相连通，透平的输出端与发电机的输入端相连，回热器组包括至少两个回热器，回热器组内的所有回热器的高温侧通道相连通，回热器组内的所有回热器的低温侧通道相连通。本实用新型所述的熔盐堆能量转换系统能够实现发电效率的最优化。

Description

采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统

技术领域

本实用新型涉及利用超临界二氧化碳发电领域，具体地，涉及一种采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统。

背景技术

核能是一种可大规模发展的清洁能源，对国家的能源供应和环境保护具有重要的支撑作用。随着人类对能源利用要求的逐步提高，核能技术也相应的经历了逐步升级换代的过程。目前在国际社会公认的最具发展前景的六种第四代核能系统中，熔盐堆占据一席之地。

目前的熔盐堆系统一般采用三个回路。在燃料冷却剂系统与发电系统之间再设置一个隔离回路。一回路为液态熔盐冷却剂，燃料与冷却剂混合为一体。二回路为隔离回路，一般采用与冷却剂相同的工质。三回路为发电系统，目前一般采用的是水/蒸汽工质或氦气工质实现能量的转换，由热能转换为电能。以水/蒸汽为工质的能量转换系统一般采用朗肯循环，朗肯循环在高温下效率并不理想，且系统复杂、设备多、体积大，投资成本较高。以氦气为工质的能量转换系统一般采用布雷顿循环，由于氦气密度低，压缩功耗非常大，导致氦气布雷顿循环的效率相对更低。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统，提高效率，提升熔盐堆的经济竞争力。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：

采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统，包括用于提供热源的一回路、隔离回路以及将热能转换成电能的三回路，所述一回路与所述隔离回路之间通过一第一换热器进行热交换，所述隔离回路与所述三回路之间通过一第二换热器进行热交换，所述一回路上设有以熔盐为冷却剂的核反应堆，所述三回路内的工质为超临界二氧化碳，所述三回路包括与所述第二换热器的二次侧相连通且能形成闭合回路的第三管道，所述第三管道上设有透平、发电机、回热器组、冷却器以及主压气机，所述透平的入口与所述第二换热器的二次侧出口相连通，所述透平的出口与所述回热器组的一高温侧入口相连通，所述透平的输出端与所述发电机的输入端相连，所述冷却器的入口与所述回热器组的一高温侧出口相连通，所述冷却器的出口与所述主压气机的入口相连通，所述主压气机的出口通过所述回热器组的低温侧通道与所述第二换热器的二次侧入口相连通，所述回热器组包括至少两个回热器，所述回热器组内的所有回热器的高温侧通道相连通，所述回热器组内的所有回热器的低温侧通道相连通。

进一步地，所述三回路还包括一辅压气机，所述辅压气机的入口与所述回热器组的高温侧出口相连通，所述辅压气机的出口与所述回热器组的低温侧相连通。

进一步地，所述回热器的数量为两个，分别为回热器一和回热器二，回热器一的高温侧入口与所述透平的出口相连通，回热器一的高温侧出口与回热器二的高温侧入口相连通，回热器二的高温侧出口与所述冷却器的入口相连通，所述主压气机的出口与所述回热器二的低温侧入口相连通，回热器二的低温侧出口与回热器一的低温侧入口相连通，回热器一的低温侧出口与所述第二换热器的二次侧入口相连通。

进一步地，所述三回路还包括一辅压气机，所述辅压气机的入口与回热器二的高温侧出口相连通，所述辅压气机的出口与回热器一的低温侧入口相连通。

进一步地，所述一回路包括与所述第一换热器的一次侧相连通的第一管道，所述核反应堆设于所述第一管道上，且所述核反应堆的出口与所述第一换热器的一次侧入口相连通，所述核反应堆的入口与所述第一换热器的一次侧出口相连通，形成闭合的循环回路。

进一步地，所述第一管道上还设有泵，所述泵的一端与所述第一换热器的一次侧出口相连通，另一端与所述核反应堆的入口相连通。用于为所述一回路内的冷却剂流体的流动提供动力。

进一步地，所述隔离回路包括与所述第一换热器的二次侧及所述第二换热器的一次侧相连通的两第二管道，具体地，一第二管道分别与所述第一换热器的二次侧出口及所述第二换热器的一次侧入口相连通，另一第二管道分别与所述第一换热器的二次侧入口及所述第二换热器的一次侧出口相连通，任一第二管道上设有用于提供流体输送动力的泵。所述隔离回路设置的主要目的是吸收所述一回路的热量并将其传送给所述三回路。

进一步地，所述核反应堆的出口温度为600-750℃，入口温度为450-550℃，进出口温差控制在150-200℃。

综上，本实用新型的有益效果是：本实用新型所述的熔盐堆能量转换系统根据热源——熔盐反应堆的特点，设计所述分流压缩的复合循环回路，能够较好地匹配熔盐堆的进出口温度参数，实现发电效率的最优化，并远高于目前的蒸汽发电系统，同时还能简化系统、缩小体积、降低成本，大幅度提高熔盐堆的经济竞争力。

附图说明

图1是本实用新型较佳实施例所示的熔盐堆能量转换系统的结构示意图；

附图中标记及相应的零部件名称：熔盐堆能量转换系统100、一回路10、隔离回路20、三回路30、第一换热器40、第二换热器50、第一管道11、核反应堆12、泵13、第二管道21、第三管道39、透平31、发电机32、回热器33、冷却器34、主压气机35、辅压气机36。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

请参阅图1，本实用新型较佳实施例所示的熔盐堆能量转换系统100，包括用于提供热源的一回路10、隔离回路20以及三回路30，所述一回路10与所述隔离回路20之间通过一第一换热器40进行热交换，所述隔离回路20与所述三回路30之间通过一第二换热器50进行热交换。

所述一回路10包括与所述第一换热器40的一次侧相连通的第一管道11，所述第一管道11上设有以熔盐为冷却剂的核反应堆12，为所述隔离回路20以及所述三回路30提供热源，所述核反应堆12的出口与所述第一换热器40的一次侧入口相连通，所述核反应堆12的入口与所述第一换热器40的一次侧出口相连通，如此，所述核反应堆12与所述第一换热器40的一次侧通道连通形成供流体流动的闭合回路，所述第一管道11上还设有泵13，所述泵13的一端与所述第一换热器40的一次侧出口相连通，另一端与所述核反应堆12的入口相连通，用于为所述一回路10内的冷却剂流体的流动提供动力。

所述隔离回路20吸收所述一回路10的热量并将其传送给所述三回路30。所述隔离回路20设置的主要目的是为了保证核反应堆的运行安全，使所述三回路30内的工质不存在与用于冷却堆芯的所述一回路10内的熔盐工质相接触的可能性，确保所述三回路30出现的任何非预期工况或事故不会影响核反应堆，从而确保核安全。所述隔离回路20包括与所述第一换热器40的二次侧及所述第二换热器50的一次侧相连通的两第二管道21，具体地，一第二管道21分别与所述第一换热器40的二次侧出口及所述第二换热器50的一次侧入口相连通，另一第二管道21分别与所述第一换热器40的二次侧入口及所述第二换热器50的一次侧出口相连通，如此，所述两第二管道21、所述第一换热器40的二次侧通道以及所述第二换热器50的一次侧通道相连通形成供流体流动的闭合回路。任一第二管道21上设有用于供所述隔离回路20内的传热介质的流动提供动力的所述泵13。所述隔离回路20的传热介质采用与所述一回路10中的冷却剂相同的物质。

所述三回路30包括第三管道39，所述第三管道39一端与所述第二换热器50的二次侧入口相连通，另一端与所述第二换热器50的二次侧出口相连通，如此，所述第三管道39与所述第二换热器50的二次侧通道相连通形成供流体流动的闭合回路。所述三回路30内的工质为超临界二氧化碳。所述第三管道39上设有透平31、发电机32、回热器组、冷却器34以及主压气机35。

所述透平31的入口与所述第二换热器50的二次侧出口相连通，所述透平31的出口与所述回热器组的一高温侧入口相连通，所述透平31的输出端与所述发电机32的输入端相连。所述冷却器34的入口与所述回热器组的一高温侧出口相连通，所述冷却器34的出口与所述主压气机35的入口相连通，所述主压气机35的出口通过所述回热器组的低温侧通道与所述第二换热器50的二次侧入口相连通。从所述主压气机35的出口出来的二氧化碳与从所述透平31的出口出来的高温二氧化碳在所述回热器组处进行热交换后进入所述第二换热器50内。

所述回热器组包括至少两个回热器33，所述回热器组内的所有回热器33的高温侧通道相连通，所述回热器组内的所有回热器33的低温侧通道相连通。所述回热器33的数量与所述核反应堆12的进出口温度参数相匹配。针对熔盐堆600-750℃的出口温度、450-550℃的入口温度和150-200℃的进出口温差（即，出口温度与入口温度之差）特点，所述回热器33的数量优选两个，分别为回热器一和回热器二，回热器一的高温侧入口与所述透平31的出口相连通，回热器一的高温侧出口与回热器二的高温侧入口相连通，回热器二的高温侧出口与所述冷却器34的入口相连通，所述主压气机35的出口与所述回热器二的低温侧入口相连通，回热器二的低温侧出口与回热器一的低温侧入口相连通，回热器一的低温侧出口与所述第二换热器50的二次侧入口相连通。此时，系统中能量转换效率较高，且与核反应堆12的进出口温度参数匹配度较高，如果进一步提高核反应堆12的进口温度，则回热器33的数量需相应增加，以达到理想的参数匹配。

核反应堆12发生核反应产生热量后，通过流动循环经所述第一换热器40将热量传递给所述隔离回路20，所述隔离回路20再通过所述第二换热器50将热量传递给所述三回路30的超临界二氧化碳工质，吸收热量后的超临界二氧化碳工质进入所述透平31内，推动所述透平31转动，从而带动所述发电机32发电，为外界系统提供清洁的电力。而从所述透平31的出口出来的高温二氧化碳进入回热器组的高温侧，吸收二氧化碳的余热，加热进入回热器组低温侧的二氧化碳，提高热源的利用效率，二氧化碳从回热器组的高温侧出口出来后进入冷却器34中冷却后再经所述主压气机35压缩形成超临界二氧化碳，经过回热器组低温侧吸热后进入所述第二换热器50的二次侧入口。本实施例中，所述冷却器34的冷却介质为水或空气。

本实施例中，所述三回路30还包括一辅压气机36，所述辅压气机36的入口与回热器二的高温侧出口相连通，所述辅压气机36的出口与回热器一的低温侧入口相连通。用于将部分从所述回热器二的高温侧出口出来的二氧化碳不经冷却器34冷却而直接经辅压气机36压缩形成超临界二氧化碳后进入回热器一的低温侧，如此减少了进入冷却器34的工质流量，降低了冷却器34排放的热量，提高了效率。

本申请针对熔盐堆600-750℃的出口温度、450-550℃的入口温度和150-200℃的进出口温差特点，设计上述的分流压缩循环回路（三回路），良好匹配熔盐堆的进出口温度，提高能量转换效率，实现能量转换效率的最优化。而目前所采用的一般简单循环的发电系统用于熔盐堆时，通常会产生系统的回热量不足，大量的热量没有利用而直接从冷却器作为废热排掉，发电效率偏低的情况。如申请号为CN201210103985.1及CN201110108849.7的中国专利申请文献所公开的发电装置，一般仅能达到20%-35%的发电效率，比当前蒸汽发电系统低（蒸汽发电效率大概为42-45%），不具有实际推广应用的意义。而目前已提出的各类超临界二氧化碳复合循环发电系统，每一类方案都对应有一个最佳的热源温度范围。针对熔盐堆600-750℃的出口温度和450-550℃的入口温度特点，本申请设计的分流压缩循环能够在熔盐堆的进出口温度范围内，达到最高的效率（发电效率能达到47%-53%），因此是具有真正推广应用前景的方案。

综上，本实用新型所述的熔盐堆能量转换系统100根据热源——熔盐反应堆的特点，设计所述分流压缩的复合循环回路，能够较好地匹配熔盐堆12的进出口温度参数，实现发电效率的最优化，并远高于目前的蒸汽发电系统，同时还能简化系统、缩小体积、降低成本，大幅度提高熔盐堆的经济竞争力。

如上所述，可较好的实现本实用新型。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，依据本实用新型的技术实质，在本实用新型的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统，其特征在于，包括用于提供热源的一回路、隔离回路以及将热能转换成电能的三回路，所述一回路与所述隔离回路之间通过一第一换热器进行热交换，所述隔离回路与所述三回路之间通过一第二换热器进行热交换，所述一回路上设有以熔盐为冷却剂的核反应堆，所述三回路内的工质为超临界二氧化碳，所述三回路包括与所述第二换热器的二次侧相连通且能形成闭合回路的第三管道，所述第三管道上设有透平、发电机、回热器组、冷却器以及主压气机，所述透平的入口与所述第二换热器的二次侧出口相连通，所述透平的出口与所述回热器组的一高温侧入口相连通，所述透平的输出端与所述发电机的输入端相连，所述冷却器的入口与所述回热器组的一高温侧出口相连通，所述冷却器的出口与所述主压气机的入口相连通，所述主压气机的出口通过所述回热器组的低温侧通道与所述第二换热器的二次侧入口相连通，所述回热器组包括至少两个回热器，所述回热器组内的所有回热器的高温侧通道相连通，所述回热器组内的所有回热器的低温侧通道相连通。

2.根据权利要求1所述的采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统，其特征在于，所述三回路还包括一辅压气机，所述辅压气机的入口与所述回热器组的高温侧出口相连通，所述辅压气机的出口与所述回热器组的低温侧相连通。

3.根据权利要求1所述的采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统，其特征在于，所述回热器的数量为两个，分别为回热器一和回热器二，回热器一的高温侧入口与所述透平的出口相连通，回热器一的高温侧出口与回热器二的高温侧入口相连通，回热器二的高温侧出口与所述冷却器的入口相连通，所述主压气机的出口与所述回热器二的低温侧入口相连通，回热器二的低温侧出口与回热器一的低温侧入口相连通，回热器一的低温侧出口与所述第二换热器的二次侧入口相连通。

4.根据权利要求3所述的采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统，其特征在于，所述三回路还包括一辅压气机，所述辅压气机的入口与回热器二的高温侧出口相连通，所述辅压气机的出口与回热器一的低温侧入口相连通。

5.根据权利要求1所述的采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统，其特征在于，所述一回路包括与所述第一换热器的一次侧相连通的第一管道，所述核反应堆设于所述第一管道上，且所述核反应堆的出口与所述第一换热器的一次侧入口相连通，所述核反应堆的入口与所述第一换热器的一次侧出口相连通，形成闭合的循环回路。

6.根据权利要求5所述的采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统，其特征在于，所述第一管道上还设有泵，所述泵的一端与所述第一换热器的一次侧出口相连通，另一端与所述核反应堆的入口相连通。

7.根据权利要求1所述的采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统，其特征在于，所述隔离回路包括与所述第一换热器的二次侧及所述第二换热器的一次侧相连通的两第二管道，具体地，一第二管道分别与所述第一换热器的二次侧出口及所述第二换热器的一次侧入口相连通，另一第二管道分别与所述第一换热器的二次侧入口及所述第二换热器的一次侧出口相连通，任一第二管道上设有用于提供流体输送动力的泵。

8.根据权利要求1所述的采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统，其特征在于，所述核反应堆的出口温度为600-750℃，入口温度为450-550℃，进出口温差控制在150-200℃。