CN209281902U - 用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统 - Google Patents
用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统 Download PDFInfo
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Abstract
用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，属于分布式能源技术领域。本实用新型为了解决现有采用汽‑水工质实现热电联供循环效率低、系统安全性差的问题。本实用新型包括用于提供热源的第一回路、用于传递热量的第二回路、用于将热能转换成电能的第三回路和用于供热管网的第四回路，第一回路与第二回路之间通过钠‑钠换热器进行热量交换，第二回路与第三回路之间通过钠‑二氧化碳换热器进行热量交换并实现供电，第三回路上连接有低温回热器，第三回路与第四回路通过低温回热器实现供热。本实用新型能够实现可切换式核堆热电联供，并且合理利用钠堆特点结合工质运行参数显著提高核堆系统安全性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种利用超临界二氧化碳循环实现热电联供系统，属于清洁能源高效利用技术领域。
背景技术
新一代核电中钠冷快堆是目前发展较为全面，通过实验验证具备可靠性的重点发展堆型。钠冷快堆常规岛目前主要采用汽-水工质，但由于蒸汽温度较低(约480℃)，导致热力循环效率偏低。此外，钠-水反应会产生强腐蚀性物质氢氧化钠，以及爆炸性气体氢气，为核堆安全造成影响。采用汽-水工质的常规岛汽轮机体积、重量、辅机数量庞大，系统集成设计较为复杂。
目前国内电力需求趋于平稳，但去火电化趋势明显，推动了大型核堆的发展。与此同时，为了更好的利用核能，核堆供热的概念逐渐受到重视。为了提升大型核堆在能源供应中的优势、降低供能成本，需要发展适用于核堆的热电联供循环结构。
超临界二氧化碳布雷顿循环发电被认为是有潜力替代汽-水朗肯循环的新型发电循环模式。主要特点是以二氧化碳为工质并在循环中始终处于超临界状态，工质能流密度大、携热能力强使得主设备体积较水-蒸汽循环有显著的缩小，同时还能节水或在水资源缺乏的地区使用。简单循环和再压缩循环在试验系统中被普遍采用，简单循环系统简单但效率较低，因此急需提出一种效率较高的热电联供循环系统，以满足陆上大型核堆热电联供需求。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有采用汽-水工质实现热电联供循环效率低、系统安全性差的问题，进而提供用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统。
本实用新型的技术方案：
用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，包括用于提供热源的第一回路、用于传递热量的第二回路、用于将热能转换成电能的第三回路和用于供热管网的第四回路，第一回路和第二回路的循环工质为钠，第三回路和第四回路的循环工质为二氧化碳，第一回路与第二回路之间通过钠-钠换热器进行热量交换，第二回路与第三回路之间通过钠-二氧化碳换热器进行热量交换并实现供电，第三回路上连接有低温回热器，第三回路与第四回路通过低温回热器实现供热。
进一步地、所述的第一回路实现在钠冷快堆堆芯内部热量传递，钠-钠换热器的热端出口与钠-二氧化碳换热器的热端入口连通，钠-钠换热器的冷端入口与钠-二氧化碳换热器的冷端出口连通；所述的第三回路上设有透平及与透平连接的发电机，所述的钠-二氧化碳换热器的热端出口与透平的入口连接，透平的出口连接低温回热器的热端入口相连，低温回热器的冷端出口与钠-二氧化碳换热器的冷端入口相连，所述的第四回路上设有冷却器和主压缩机，低温回热器的热端出口与冷却器的入口连通，冷却器的出口与主压缩机的入口相连，主压缩机的出口与低温回热器的冷端入口连通，冷却器与供热管网接口建立连接，主压缩机上安装有主压缩机驱动电机。
进一步地、第三回路上还设有高温回热器，透平的出口与高温回热器的热端入口连通，高温回热器的热端出口与低温回热器的热端入口连通，低温回热器的热端出口与第四回路的入口端连通，第四回路的出口端与低温回热器的冷端入口连通，低温回热器的冷端出口与高温回热器的冷端入口连通，高温回热器的冷端出口与钠-二氧化碳换热器的冷端入口连通。
进一步地、所述的第四回路上并联设置有再压缩机，第四回路上还设有分流器和汇流器，所述低温回热器的热端出口与分流器入口相连，经分流器两股分流中的一端与冷却器相连，冷却器出口与主压缩机入口相连，主压缩机出口与低温回热器冷端入口相连，经分流器两股分流中的另一端与再压缩机入口相连，再压缩机的出口与低温回热器的冷端经过汇流器汇流后与高温回热器的冷端入口连通。
进一步地、所述的冷却器与供热管网接口连通实现供热。
本实用新型具有以下有益效果：
1、本实用新型提供一种陆上大型钠冷快堆供能系统，采用二氧化碳循环工质替代目前试验堆上使用的水-蒸汽工质，达到或超越原有系统效率，实现可切换式核堆热电联供，并且合理利用钠堆特点结合工质运行参数显著提高核堆系统安全性；
2、本实用新型根据钠冷快堆特点采用超临界二氧化碳工质与之匹配，结合陆上大型核堆热电联供应用背景，设计了简单-再压缩超临界二氧化碳供能系统，可实现纯发电系统循环效率超过41％；
3、用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，可实现热电联供，循环发电效率35％，提供85℃、0.8MPa热水，其热功率占比热力回路热源功率达50％；
4、主压缩机、再压缩机及透平的旋转机械，采用分轴布置，适用于陆上大型核堆，避免高度集成化过程中技术难点，设备及系统可调节性更加。
附图说明
图1是用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统的系统连接关系图；
图中1-第一回路，2-第二回路，3-第三回路，4-第四回路，10-钠冷快堆堆芯，11-钠-钠换热器，12-钠-二氧化碳换热器，13-低温回热器，14-高温回热器，15-冷却器，21-透平，22-主压缩机，23-再压缩机，31-发电机，32-主压缩机驱动电机，33-再压缩机驱动电机，41-分流器，42-汇流器，51-供热管网接口。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，包括用于提供热源的第一回路1、用于传递热量的第二回路2、用于将热能转换成电能的第三回路3和用于供热管网的第四回路4，第一回路1和第二回路2的循环工质为钠，第三回路3和第四回路的循环工质为二氧化碳，第一回路1与第二回路2之间通过钠-钠换热器11进行热量交换，第二回路2与第三回路3之间通过钠-二氧化碳换热器12进行热量交换并实现供电，第三回路3上连接有低温回热器13，第三回路3与第四回路4通过低温回热器13实现供热。如此设置，采用超临界二氧化碳布雷顿循环发电是有潜力的新型发电循环模式，主要特点是以二氧化碳为工质并在循环中始终处于超临界状态，工质能流密度大、携热能力强，利用超临界二氧化碳作为循环工质的整个热电联供系统主设备体积较水-蒸汽循环有显著的缩小，同时还能节水或在水资源缺乏的地区使用。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，所述的第一回路1实现在钠冷快堆堆芯10内部热量传递，钠-钠换热器11的热端出口与钠-二氧化碳换热器12的热端入口连通，钠-钠换热器11的冷端入口与钠-二氧化碳换热器12的冷端出口连通；所述的第三回路3上设有透平21及与透平21连接的发电机31，所述的钠-二氧化碳换热器12的热端出口与透平21的入口连接，透平21的出口连接低温回热器13的热端入口相连，低温回热器13的冷端出口与钠-二氧化碳换热器12的冷端入口相连，所述的第四回路4上设有冷却器15和主压缩机22，低温回热器13的热端出口与冷却器15的入口连通，冷却器15的出口与主压缩机22的入口相连，主压缩机22的出口与低温回热器13的冷端入口连通，冷却器15与供热管网接口51建立连接，主压缩机22上安装有主压缩机驱动电机32；主压缩机22由主压缩机驱动电机32带动，再压缩机23由再压缩机驱动电机33带动，发电机31由透平21带动。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，第三回路3上还设有高温回热器14，透平21的出口与高温回热器14的热端入口连通，高温回热器14的热端出口与低温回热器13的热端入口连通，低温回热器13的热端出口与第四回路4的入口端连通，第四回路4的出口端与低温回热器13的冷端入口连通，低温回热器13的冷端出口与高温回热器14的冷端入口连通，高温回热器14的冷端出口与钠-二氧化碳换热器12的冷端入口连通。如此设置，在第三回路3上设置有高温回热器14，高温回热器14能够提高第三回路3与第四回路4之间的换热效率，保证系统在供电和/或供热需求的变化期间保持高效率。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，所述的第四回路4上并联设置有再压缩机23，第四回路4上还设有分流器41和汇流器42，所述低温回热器13的热端出口与分流器41入口相连，经分流器41两股分流中的一端与冷却器15相连，冷却器15出口与主压缩机22入口相连，主压缩机22出口与低温回热器13冷端入口相连，经分流器41两股分流中的另一端与再压缩机23入口相连，再压缩机23的出口与低温回热器13的冷端经过汇流器42汇流后与高温回热器14的冷端入口连通。如此设置，在第四回路4上并联设置有的再压缩机23能够提高系统热电效率，具体表现为，再压缩机23的作用下与第四回路连通的实现供电功能的第三回路3内部二氧化碳循环工质的循环效率得到了加强，因此这种并联设置的再压缩机23提高了整个热电联供系统的热电效率，并联方式设置的再压缩机23将第三回路3和第四回路4从整体上实现互联，这种互联达到的效果远远大于仅仅在第四回路上增加串联压缩机达到的仅增大供热循环效率的效果，而且，这种并联的方式具有较合理化的控制系统，在热电联供过程，可以实现单独控制并联线路的开、关，进而有效控制热电联供效率。
本实施例提出的在第四回路4上并联设置有再压缩机23是本实用新型创造在热电联供能源系统的一个重大突破，这种方式提高了热电联供效率，也进一步提高了能量利用率。
为了进一步说明采用再压缩机23提高热电联供效率要大于仅仅在第四回路上增加串联压缩机达到的仅增大供热循环效率的效果，下面具体阐述如下：
在第四回路上并联再压缩机，此时经过低温回热器13热端出口输出的循环工质经过分流器41分流，一部分用于供热管网供热，另一部分经过再压缩机23、高温回热器14后进入钠-二氧化碳换热器12，进入钠-二氧化碳换热器12的循环工质再次换热后用于透平21做功发电，此时第三回路3的供电和第四回路4供热效率均得到提升，且二者是同步进行的；
因此并联再压缩机23的作用效果是显著的。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，所述的再压缩机23上安装有再压缩机驱动电机33，所述的冷却器15与供热管网接口51连通实现供热。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，再压缩循环透平压缩机分轴结构，该结构特点是透平、压缩机分轴布置，透平驱动电机发电，压缩机由压缩机驱动电机带动，包括透平21、主压缩机22、再压缩机23、发电机31、主压缩机驱动电机32、再压缩机驱动电机33、低温回热器13、高温回热器14、冷却器15、分流器41和汇流器42，钠-二氧化碳换热器12在钠冷快堆堆芯10热源中交换热量，钠-二氧化碳换热器12冷端出口与透平21入口相连，透平21出口与高温回热器14热端入口相连，高温回热器14热端出口与低温回热器13热端入口相连，低温回热器13热端出口与分流器41入口相连，分流器41的A出口与再压缩机23入口相连，分流器41的B出口与冷却器15相连，冷却器15出口与主压缩机22入口相连，主压缩机22出口与低温回热器13冷端入口相连，低温回热器13冷端出口与汇流器42的B入口相连，再压缩机23出口与汇流器42的A入口相连，汇流器42出口与高温回热器14冷端入口相连，高温回热器14冷端出口与钠-二氧化碳换热器12冷端入口相连；主压缩机22由主压缩机驱动电机32带动，再压缩机23由再压缩机驱动电机33带动，发电机31由透平21带动；冷却器15冷却工质侧出口与供热管网接口51输出端相连。
循环结构可通过回热器、汇流器、分流器旁路进行切换，当低温回热器13旁路、汇流器42旁路、分流器41旁路关闭时，第三回路仅输出电能，透平21及与透平21连接的发电机31，所述的钠-二氧化碳换热器12的热端出口与透平21的入口连接，透平21的出口连接高温回热器14的热端入口相连，高温回热器14热端出口与低温回热器13热端入口相连，低温回热器13热端出口与分流器41入口相连，分流器41的A出口与再压缩机23入口相连，分流器41B出口与冷却器15相连，冷却器15出口与主压缩机22入口相连，主压缩机22出口与低温回热器13冷端入口相连，低温回热器14冷端出口与汇流器42的B入口相连，再压缩机23出口与汇流器42的A入口相连，汇流器42出口与高温回热器14冷端入口相连，高温回热器13冷端出口与钠-二氧化碳换热器12冷端入口相连；
当低温回热器13旁路、汇流器42旁路、分流器41旁路开启时，第三回路输出电能同时启用第四回路供热，冷却器水冷工质用于用户供热；钠-二氧化碳换热器12冷端出口与透平21入口相连，透平21出口与高温回热器14热端入口相连，高温回热器14热端出口与低温回热器13热端旁路入口相连，低温回热器13热端旁路出口与分流器41旁路入口相连，分流器41旁路出口与冷却器15相连，冷却器15出口与主压缩机22入口相连，主压缩机22出口与低温回热器14冷端旁路入口相连，低温回热器14冷端旁路出口与汇流器42旁路入口相连，汇流器42旁路出口与高温回热器13冷端入口相连，高温回热器13冷端出口与钠-二氧化碳换热器12冷端入口相连。冷却器15冷却工质侧出口与供热管网接口51输出端相连。
简单循环热电联供系统原理是：该系统特点是通过设备旁路将再压缩循环切换为简单回热循环，冷却器水冷工质用于用户供热，钠-二氧化碳换热器12在钠冷快堆堆芯10热源中交换热量进入透平21，用于透平21做功，进而实现发电机31发电，经过发电后的热源再经低温回热器13换热，提供给冷却器15，冷却器15冷却工质侧出口与供热管网接口51输出端相连，用于供热管网提供热量。
本实施例中，钠-二氧化碳换热器12钠侧压力为常压，即一个大气压，而二氧化碳侧压力约15～25MPa，当钠-二氧化碳在钠-二氧化碳换热器12中实现热量交换过程，钠-二氧化碳换热器12管道泄漏时，钠-二氧化碳换热器12中循环介质二氧化碳可以有效封堵因换热器通道破损导致的二回路钠泄漏，并且，二氧化碳与钠接触反应慢、产物附着于接触面，无加剧事故程度的风险，从而显著提高核堆系统安全性。
本实施例中，采用微通道换热器作为钠-二氧化碳换热器12，达到端差小于20℃的性能，同时换热器尺寸为管壳式换热器的二十分之一，对工业级二氧化碳的高温(300～480℃)、高压(15MPa～25MPa)条件下具备耐腐蚀、抗压性能，对二回路钠工质0.101MPa、320～500℃条件下耐腐蚀、抗压。
同时，采用微通道换热器作为低温回热器13和高温回热器14：达到端差小于10℃的性能，换热器尺寸为管壳式换热器的二十分之一，对工业级二氧化碳的高压(15MPa～25MPa)条件下具备耐腐蚀、抗压性能。
本实施例经过循环系统热力学特性计算及分析，获得数据结果如下：
方案中再压缩循环启用下，若透平效率达到90％、压缩机效率达到85％，则整体热力系统循环效率可超过41％。
方案中简单循环启用下，可实现热电联供，循环发电效率35％，提供85℃、0.8MPa热水，其热功率占比热力回路热源功率可达50％。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (5)
1.用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，其特征在于：包括用于提供热源的第一回路(1)、用于传递热量的第二回路(2)、用于将热能转换成电能的第三回路(3)和用于供热管网的第四回路(4)，第一回路(1)和第二回路(2)的循环工质为钠，第三回路(3)和第四回路的循环工质为二氧化碳，第一回路(1)与第二回路(2)之间通过钠-钠换热器(11)进行热量交换，第二回路(2)与第三回路(3)之间通过钠-二氧化碳换热器(12)进行热量交换并实现供电，第三回路(3)上连接有低温回热器(13)，第三回路(3)与第四回路(4)通过低温回热器(13)进行热量交换并实现供热。
2.根据权利要求1所述的用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，其特征在于：所述的第一回路(1)实现在钠冷快堆堆芯(10)内部热量传递，钠-钠换热器(11)的热端出口与钠-二氧化碳换热器(12)的热端入口连通，钠-钠换热器(11)的冷端入口与钠-二氧化碳换热器(12)的冷端出口连通；所述的第三回路(3)上设有透平(21)及与透平(21)连接的发电机(31)，所述的钠-二氧化碳换热器(12)的热端出口与透平(21)的入口连接，透平(21)的出口连接低温回热器(13)的热端入口相连，低温回热器(13)的冷端出口与钠-二氧化碳换热器(12)的冷端入口相连，所述的第四回路(4)上设有冷却器(15)和主压缩机(22)，低温回热器(13)的热端出口与冷却器(15)的入口连通，冷却器(15)的出口与主压缩机(22)的入口相连，主压缩机(22)的出口与低温回热器(13)的冷端入口连通，冷却器(15)与供热管网接口(51)建立连接，主压缩机(22)上安装有主压缩机驱动电机(32)。
3.根据权利要求2所述的用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，其特征在于：第三回路(3)上还设有高温回热器(14)，透平(21)的出口与高温回热器(14)的热端入口连通，高温回热器(14)的热端出口与低温回热器(13)的热端入口连通，低温回热器(13)的热端出口与第四回路(4)的入口端连通，第四回路(4)的出口端与低温回热器(13)的冷端入口连通，低温回热器(13)的冷端出口与高温回热器(14)的冷端入口连通，高温回热器(14)的冷端出口与钠-二氧化碳换热器(12)的冷端入口连通。
4.根据权利要求3所述的用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，其特征在于：所述的第四回路(4)上并联设置有再压缩机(23)，第四回路(4)上还设有分流器(41)和汇流器(42)，所述低温回热器(13)的热端出口与分流器(41)入口相连，经分流器(41)两股分流中的一端与冷却器(15)相连，冷却器(15)出口与主压缩机(22)入口相连，主压缩机(22)出口与低温回热器(13)冷端入口相连，经分流器(41)两股分流中的另一端与再压缩机(23)入口相连，再压缩机(23)的出口与低温回热器(13)的冷端经过汇流器(42)汇流后与高温回热器(14)的冷端入口连通。
5.根据权利要求4所述的用于钠冷快堆的可切换式超临界二氧化碳循环热电联供系统，其特征在于：所述的再压缩机(23)上安装有再压缩机驱动电机(33)，所述的冷却器(15)与供热管网接口(51)连通实现供热。
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| FR3128813A1 (fr) * | 2021-11-03 | 2023-05-05 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Installation de cogénération électronucléaire à réacteur à eau légère (REL) et système de capture de CO2 atmosphérique, ou de dessalement d’eau de mer sans prélèvement ou rejet d’eau liquide dans l’environnement. |
| WO2023078825A1 (fr) * | 2021-11-03 | 2023-05-11 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Installation de cogénération électronucléaire à réacteur avec cycle thermodynamique indirect sans prélèvement ou rejet d'eau liquide dans l'environnement. |
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