CN207829962U - 基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统，由超临界二氧化碳循环回路、小型模块化反应堆、太阳能聚光集热系统组成；超临界二氧化碳循环回路包括压缩机、回热器、反应堆二回路换热器、太阳能换热器、太阳能再热器、透平、冷却器。小型模块化反应堆包括反应堆、二回路循环泵、反应堆二回路换热器。太阳能聚光集热系统包括传热介质循环泵、太阳能聚光集热器、太阳能换热器、太阳能再热器。本实用新型通过超临界二氧化碳循环，将小型模块化反应堆与太阳能聚光集热系统相结合，构成混合发电系统，发电效率比单纯的小型模块化反应堆发电系统显著提高，机组出力和负荷稳定性比单纯的太阳能聚光集热发电系统大幅提高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统，属于新能源技术领域。
背景技术
当今世界环境问题日益严峻，发展绿色能源成为时代主题，核能、太阳能、风能等相关的新型发电技术倍受世界各国关注。
近年来，小型模块化反应堆技术发展迅速，特别是基于压水堆技术的小型堆已趋于成熟，包括NuScale(美国)、Westinghouse SMR(美国)、mPower(美国)、SMART(韩国)、CAREM-25(阿根廷)、VVER-300(俄罗斯)、ACP-100(中国)等多种堆型。小型堆的二回路温度较低(＜280℃)，如果用汽轮机发电，按照目前技术水平，热电转换效率不超过30％，低于大型压水堆核电站的35％左右的发电效率。
太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色能源，太阳能热发电是太阳能利用的主要方式之一。近年来这项技术发展十分迅速，较为成熟的技术包括槽式、塔式、菲涅尔式太阳能热聚光集热发电技术，最高运行温度可达550℃以上。以单纯的太阳能模式运行的太阳能热电站也存在一些问题，太阳能热发电系统的容量较小，基本都在150MWe以下，太阳能热发电系统的投资和发电成本较高，需要配备较大的储热系统。
将小型堆与太阳能热发电相结合具有潜在的优势：一是温度等级有高低之分，便于梯级利用；二是容量相近，便于功率匹配。不同热源进行整合，还需要有动力循环系统作为基本架构。近年来，超临界二氧化碳循环成为热点，并且被认为具有诸多潜在优势。二氧化碳的临界点为31℃/7.4MPa，在温度和压力超过临界点时的状态为超临界态。二氧化碳化学性质稳定、密度高、无毒性、低成本，循环系统简单、结构紧凑、效率高、可空冷，超临界二氧化碳循环可以与各种热源组合成发电系统，被认为在火力发电、核能发电、太阳能热发电、余热发电、地热发电、生物质发电等领域均具有良好的应用前景。
然而，将小型模块化反应堆与太阳能聚光集热系统相结合，这种新型的混合发电系统在行业内还未见公开报道。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是如何将小型模块化反应堆与太阳能聚光集热系统相结合，通过超临界二氧化碳循环，构成新型的混合发电系统，发挥超临界二氧化碳循环的优势，实现能源互补，提高能源综合利用效率，并降低设备投资。
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统，其特征在于：由超临界二氧化碳循环回路、小型模块化反应堆、太阳能聚光集热系统组成；
所述超临界二氧化碳循环回路包括主压缩机，主压缩机出口分别连接低温回热器高压侧进口和反应堆二回路换热器二氧化碳工质侧进口，低温回热器高压侧出口与反应堆二回路换热器二氧化碳工质侧出口均连接高温回热器高压侧进口，高温回热器高压侧出口连接太阳能换热器二氧化碳工质侧进口，太阳能换热器二氧化碳工质侧出口连接高压透平进口，高压透平出口连接太阳能再热器二氧化碳工质侧进口，太阳能再热器二氧化碳工质侧出口连接低压透平进气口，低压透平排气口连接高温回热器低压侧进口，高温回热器低压侧出口连接低温回热器低压侧进口，低温回热器低压侧出口连接预冷器进口，预冷器出口连接预压缩机进口，预压缩机出口连接中间冷却器进口，中间冷却器出口连接主压缩机进口；
所述小型模块化反应堆包括反应堆二回路循环泵，反应堆二回路循环泵出口连接反应堆进口，反应堆出口连接所述反应堆二回路换热器二回路侧的进口，所述反应堆二回路换热器二回路侧的出口连接反应堆二回路循环泵进口；
所述太阳能聚光集热系统包括传热介质循环泵，传热介质循环泵出口连接太阳能聚光集热器进口，太阳能聚光集热器出口分别连接太阳能换热器传热介质侧进口和太阳能再热器传热介质侧进口，太阳能换热器传热介质侧出口和太阳能再热器传热介质侧出口均连接传热介质循环泵进口。
优选地，所述预压缩机、主压缩机、高压透平、低压透平同轴布置且依次连接。
更优选地，所述低压透平连接发电机。
优选地，所述太阳能聚光集热系统还包括储热器，储热器与所述太阳能聚光集热器并联。
更优选地，所述储热器的容量满足可确保机组稳定运行。
优选地，所述太阳能聚光集热器为塔式太阳能聚光集热器或槽式太阳能聚光集热器。
更优选地，所述塔式太阳能聚光集热器的传热介质为熔盐，最高工作温度为560℃。
更优选地，所述槽式聚光集热器的传热介质为导热油，最高工作温度为390℃。
优选地，所述反应堆为小型模块化反应堆，采用一体化压水堆结构设计，二回路的传热介质为水。
本实用新型提供的基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统的使用步骤如下：
在超临界二氧化碳循环回路中，二氧化碳工质先进入主压缩机增压，主压缩机出口的二氧化碳工质分两路：一路经低温回热器吸收透平排出工质的低温段热量，另一路经反应堆二回路换热器吸收热量；然后两路汇合进入高温回热器吸收透平排出工质的高温段热量，高温回热器出来的工质经太阳能换热器吸收热量，再进入高压透平做功，高压透平排气经太阳能再热器吸收热量，再进入低压透平做功，低压透平排出的工质依次经高温回热器、低温回热器回收部分余热，然后经预冷器冷却，再进入预压缩机增压，中间冷却器冷却后，最后回到主压缩机进口；
小型模块化反应堆通过反应堆二回路换热器将反应堆内的热量传递给超临界二氧化碳回路的工质，二回路中的水经二回路换热器释放所携带的热量，经反应堆二回路循环泵再回到反应堆内吸收热量，然后从反应堆内出来进入二回路换热器；
太阳能聚光集热器吸收太阳辐射能量，转化成热量通过传热介质，然后分两路分别输送至太阳能换热器和太阳能再热器，通过太阳能换热器和太阳能再热器传热介质携带的热量传递给超临界二氧化碳回路的工质，然后传热介质再通过传热介质循环泵进入太阳能聚光集热器；在太阳能聚光集热系统中配备有储热器，当太阳辐照不足时，传热介质从储热器中获取热量。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
1、通过超临界二氧化碳循环，将小型模块化反应堆与太阳能聚光集热系统相结合，构成新型的混合发电系统，发电效率比单纯的小型模块化反应堆发电系统显著提高，机组出力和负荷稳定性比单纯的太阳能聚光集热发电系统大幅提高，提高了能源综合利用率。
2、本实用新型中小型模块化反应堆与太阳能聚光集热系统共用一套动力循环系统，设备投资成本显著减少。
3、小型模块化反应堆和动力循环系统都可以实现工厂成套制造和整体运输，减少了现场安装的工作量，施工速度快。
4、系统结构简单、紧凑，运行灵活，安全性高。
附图说明
图1为本实施例提供的基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统示意图；
其中：1-主压缩机，2-低温回热器，3-反应堆二回路换热器，4-高温回热器，5-太阳能换热器，6-高压透平，7-太阳能再热器，8-低压透平，9-发电机，10-预冷器，11-预压缩机，12-中间冷却器，13-反应堆，14-反应堆二回路循环泵，15-太阳能聚光集热器，16-传热介质循环泵，17-储热器。
具体实施方式
图1为本实施例提供的基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统示意图，所述的基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统由以下部件组成：
主压缩机1，用于压缩二氧化碳工质，提高压力；
低温回热器2，具有高压侧进口、高压侧出口、低压侧进口、低压侧出口，压缩机1出口的一路高压二氧化碳工质经由高压侧进口进入低温回热器2，再由高压侧出口输出至高温回热器4，同时，所述高压二氧化碳工质在低温回热器2被经由低压侧进口进入的高温回热热器4低压侧出口排出的低压二氧化碳工质加热，放热后的低压二氧化碳工质再由低温回热器2低压侧出口输出到预冷器10；
反应堆二回路换热器3，通过反应堆13的二回路传热介质加热主压缩机1出口的另一路高压二氧化碳工质；
高温回热器4，具有高压侧进口、高压侧出口、低压侧进口、低压侧出口，高压二氧化碳工质经由高压侧进口进入高温回热器4，再由高压侧出口输出至太阳能换热器5，同时，高压二氧化碳工质在高温回热器4被经由低压侧进口进入的低压透平7排出的低压二氧化碳工质加热，放热后的低压二氧化碳工质再由低压侧出口输出到低温回热热器2；
太阳能换热器5，通过传热介质加热高温回热热器4高压侧出口的二氧化碳工质；
高压透平6，用于高温高压二氧化碳工质膨胀做功，将热能转换为机械能；
太阳能再热器7，通过传热介质加高压透平6排出的二氧化碳工质；
低压透平8，用于高温低压二氧化碳工质膨胀做功，将热能转换为机械能；
发电机9，用于将高压透平6和低压透平8的轴功转变为电能；
预冷器10，用于冷却低温回热热器2低压侧出口的二氧化碳工质；
预压缩机11，用于预压缩二氧化碳工质，提高部分压力；
中间冷却器12，用于冷却预压缩机11出口的二氧化碳工质；
反应堆13，小型模块化反应堆；
反应堆二回路循环泵14，用于驱动反应堆13的二回路传热介质；
太阳能聚光集热器15，用于吸收太阳光辐射能量并转换为热能；
传热介质循环泵16，用于驱动传热介质流动，通过传热介质从太阳能聚光集热器15中吸收热量，然后传热给储热器17、太阳能换热器5、太阳能再热器7；
储热器17，用于储存太阳能热。
系统的各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上可布置阀门、流体机械、仪表。组成系统的其它部分还有辅助设施、电气系统、仪控系统等，以及为满足安全要求的设施。
上述的基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统的工作方法如下：
在超临界二氧化碳循环回路中，主压缩机1将冷态的二氧化碳工质增压至高压，然后分为两路，一路通往低温回热器2吸收热量，另一路通往反应堆二回路换热器3吸收热量，然后两路工质汇合进入高温回热器4吸收热量，再进入太阳能换热器5加热，太阳能换热器5出来的高温高压二氧化碳工质进入高压透平6膨胀做功，高压透平6排出的二氧化碳工质的温度和压力降低，再进入太阳能再热器7加热，然后进入低压透平8继续膨胀做功，高压透平6和低压透平8推动发电机9产生电能，低压透平8排出的工质依次进入高温回热器4的低压侧、低温回热器2的低压侧，将热量回给高压侧的二氧化碳工质，接着进入预冷器10冷却，再进入预压缩机11增压，预压缩机11出口工质经过中间冷却器12冷却，最后回到主压缩机1的进口。在反应堆二回路循环泵14的驱动下，反应堆二回路传热介质不断地从反应堆13中获得热量，再经过反应堆二回路换热器3将热量传递给二氧化碳工质。在传热介质循环泵16的驱动下，传热介质不断地从太阳能聚光集热器15或储热器17获得热量，再经过太阳能换热器5和太阳能再热器7将热量传递给二氧化碳工质。系统设计工况运行时，从反应堆13和太阳能聚光集热器15获取的热量相当，符合现有的小型堆的热容量和太阳能聚光集热系统的热容量水平。
超临界二氧化碳循环回路还可以通过系统优化进一步提高循环效率。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统，其特征在于：由超临界二氧化碳循环回路、小型模块化反应堆、太阳能聚光集热系统组成；
所述超临界二氧化碳循环回路包括主压缩机(1)，主压缩机(1)出口分别连接低温回热器(2)高压侧进口和反应堆二回路换热器(3)二氧化碳工质侧进口，低温回热器(2)高压侧出口与反应堆二回路换热器(3)二氧化碳工质侧出口均连接高温回热器(4)高压侧进口，高温回热器(4)高压侧出口连接太阳能换热器(5)二氧化碳工质侧进口，太阳能换热器(5)二氧化碳工质侧出口连接高压透平(6)进口，高压透平(6)出口连接太阳能再热器(7)二氧化碳工质侧进口，太阳能再热器(7)二氧化碳工质侧出口连接低压透平(8)进气口，低压透平(8)排气口连接高温回热器(4)低压侧进口，高温回热器(4)低压侧出口连接低温回热器(2)低压侧进口，低温回热器(2)低压侧出口连接预冷器(10)进口，预冷器(10)出口连接预压缩机(11)进口，预压缩机(11)出口连接中间冷却器(12)进口，中间冷却器(12)出口连接主压缩机(1)进口；
所述小型模块化反应堆包括反应堆二回路循环泵(14)，反应堆二回路循环泵(14)出口连接反应堆(13)进口，反应堆(13)出口连接所述反应堆二回路换热器(3)二回路侧的进口，所述反应堆二回路换热器(3)二回路侧的出口连接反应堆二回路循环泵(14)进口；
所述太阳能聚光集热系统包括传热介质循环泵(16)，传热介质循环泵(16)出口连接太阳能聚光集热器(15)进口，太阳能聚光集热器(15)出口分别连接太阳能换热器(5)传热介质侧进口和太阳能再热器(7)传热介质侧进口，太阳能换热器(5)传热介质侧出口和太阳能再热器(7)传热介质侧出口均连接传热介质循环泵(16)进口。
2.如权利要求1所述的一种基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统，其特征在于：所述预压缩机(11)、主压缩机(1)、高压透平(6)、低压透平(8)同轴布置且依次连接。
3.如权利要求1或2所述的一种基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统，其特征在于：所述低压透平(8)连接发电机(9)。
4.如权利要求1所述的一种基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统，其特征在于：所述太阳能聚光集热系统还包括储热器(17)，储热器(17)与所述太阳能聚光集热器(15)并联。
5.如权利要求1所述的一种基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统，其特征在于：所述太阳能聚光集热器(15)为塔式太阳能聚光集热器或槽式太阳能聚光集热器。
6.如权利要求1所述的一种基于超临界二氧化碳循环的核能与太阳能混合发电系统，其特征在于：所述反应堆(13)为一体化压水堆结构的反应堆。
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