CN209293869U - 钠堆部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统 - Google Patents

Abstract

钠堆部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统，属于分布式能源技术领域，本实用新型为了解决传统热电联供系统热力循环效率较低、设备占用空间大，且钠‑水工质传热存在安全隐患的问题。第二回路通过设备旁路实现简单循环形式和部分冷却循环形式的切换，从而利用热量进行发电或在发电同时实现供热。本实用新型的小型钠堆的简单‑部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统采用新型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系统，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，实现设备紧凑布置，实现设备轻量化。

Description

钠堆部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统

技术领域

本实用新型涉及一种热电联供系统，具体涉及钠堆部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统，属于分布式能源技术领域。

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，不利于系统小型化和轻量化。

小型堆适用于舰船动力、移动式能源岛、边防海防等场景。通常为孤网运行，功率负荷有较大变化；同时对体积、重量、系统复杂程度有一定要求。因此，目前的小型堆效率普遍较低，有较大的提升空间。

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。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供钠堆部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统，以解决传统热电联供系统热力循环效率较低、设备占用空间大，且钠-水工质传热存在安全隐患的问题。

钠堆部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统包括热源、第一回路、第二回路、钠-钠换热器、钠-二氧化碳换热器、主冷却器和供热设备；

第一回路通过钠-钠换热器吸收热源的热量，再通过钠-二氧化碳换热器将热量交换给第二回路，第二回路利用热量做功发电，发电后的剩余热量通过主冷却器交换给供热设备，为用户提供热能；

第二回路上设有透平、发电机、主压缩机、高温子压缩机和低温子压缩机，透平带动发电机发电，且主压缩机、高温子压缩机和低温子压缩机与发电机同轴布置。

优选的：热源包括钠冷快堆和内部自循环回路，钠冷快堆通过内部自循环回路将热量交换给钠-钠换热器，钠-钠换热器再将热量交换给第一回路。

优选的：第二回路还包括低温回热器、高温回热器、间冷却器、分流器和汇流器；

钠-二氧化碳换热器冷端出口与透平入口相连，透平带动发电机发电，透平出口与高温回热器热端入口相连，高温回热器热端出口与低温回热器热端入口相连，低温回热器热端出口与主冷却器入口相连，主冷却器出口与主压缩机入口相连，主压缩机出口与分流器入口相连，分流器出口A与间冷却器入口相连，分流器出口B与高温子压缩机入口相连，间冷却器出口与低温子压缩机入口相连，低温子压缩机出口与低温回热器冷端旁路入口相连，低温回热器冷端旁路出口与汇流器入口B相连，高温子压缩机出口与汇流器入口A 相连，汇流器出口与高温回热器冷端入口相连，高温回热器冷端出口与钠-二氧化碳换热器冷端入口相连。

优选的：供热设备回水端与主冷却器冷却工质侧入口相连，主冷却器冷却工质侧出口与供热设备相连。

本实用新型与现有产品相比具有以下效果：

1、根据钠冷快堆特点采用超临界二氧化碳工质与之匹配，结合小型核堆可切换式热电联供应用背景，设计了简单-部分压缩紧凑式超临界二氧化碳供能系统，可实现纯发电系统循环效率达到36％；可实现热电联供，循环发电效率33％，提供85℃、0.8MPa热水，其热功率占比三回路热源功率60％；旋转机械同轴布置，避免了使用高品位能(电力) 提供低品位能(机械功)的过程；热工转换装置体积大幅缩小50％～80％，更利于应用在空间狭小的场所，并更利于实现集成化；

2、透平与发电机、三台压缩机同轴布置，透平驱动压缩机同时发电以减少发电机数量并省略驱动电机，避免了使用高品位能(电力)提供低品位能(机械功)的过程，热工转换装置体积大幅缩小50％～80％，更利于应用在空间狭小的场所，并更利于实现集成化；

3、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；

4、统采用新型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系统，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，实现设备紧凑布置，实现设备轻量化。

附图说明

图1是钠堆部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统的结构示意图；

图中：1-钠冷快堆、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-主冷却器、16-间冷却气、21-透平、22-主压缩机、23-高温子压缩机、24- 低温子压缩机、31-发电机、41-分流器、42-汇流器、51-供热设备。

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本实用新型优选的实施方式。

具体实施方式1，如图1所示，本实施方式的钠堆部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统包括热源、第一回路、第二回路、钠-钠换热器11、钠-二氧化碳换热器12、主冷却器15和供热设备51；

第一回路通过钠-钠换热器11吸收热源的热量，再通过钠-二氧化碳换热器12将热量交换给第二回路，第二回路利用热量做功发电，发电后的剩余热量通过主冷却器15交换给供热设备51，为用户提供热能；

第二回路上设有透平21、发电机31、主压缩机22、高温子压缩机23和低温子压缩机24，透平21带动发电机31发电，且主压缩机22、高温子压缩机23和低温子压缩机 24与发电机31同轴布置。

进一步：热源包括钠冷快堆1和内部自循环回路，钠冷快堆1通过内部自循环回路将热量交换给钠-钠换热器11，钠-钠换热器11再将热量交换给第一回路。

进一步：第二回路还包括低温回热器13、高温回热器14、间冷却器16、分流器41 和汇流器42；

钠-二氧化碳换热器12冷端出口与透平21入口相连，透平21带动发电机31发电，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热端出口与主冷却器15入口相连，主冷却器15出口与主压缩机22入口相连，主压缩机22出口与分流器41入口相连，分流器41出口A与间冷却器16入口相连，分流器41出口B与高温子压缩机23入口相连，间冷却器16出口与低温子压缩机24入口相连，低温子压缩机24出口与低温回热器13冷端旁路入口相连，低温回热器13冷端旁路出口与汇流器42入口B相连，高温子压缩机23出口与汇流器42 入口A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。

透平21、主压缩机22、高温子压缩机23、低温子压缩机24、发电机31、低温回热器13、高温回热器14、主冷却器15、间冷却器16、分流器41、汇流器42构成部分冷却循环透平压缩机同轴结构：该结构特点是透平与三台压缩机同轴，透平驱动压缩机同时发电以减少发电机数量并省略驱动电机。

进一步：第二回路通过低温回热器13实现简单循环形式和部分冷却循环形式的切换，从而利用热量进行发电或在发电同时通过主冷却器15和间冷却气16交换给梯级供热回路，梯级供热回路与供热管网接口51连通，实现供热，第二回路循环结构可通过低温回热器13进行切换；当低温回热器13关闭时，第二回路仅输出电能；当低温回热器13开启时，第二回路输出电能同时供热。

进一步：供热设备51回水端与主冷却器15冷却工质侧入口相连，主冷却器15冷却工质侧出口与供热设备51相连。

由第二回路及红热设备共同组成简单循环热电联供系统：该系统特点是通过设备旁路将部分冷却循环切换为简单回热循环，透平与三台压缩机同轴，透平驱动压缩机的同时发电，冷却器水冷工质用于用户供热。

其中钠-二氧化碳换热器12：实现热量从钠二回路输送至常规岛，其中钠二回路从堆芯经过钠-钠换热器11吸收热量，并随钠工质传送给钠-二氧化碳换热器12，保障钠在0.101MPa、320～500℃与二氧化碳在15～25MPa、300～480℃条件下完成充分换热。

本实施方式中钠-二氧化碳换热器12钠侧压力为常压，而二氧化碳侧压力约 15～25MPa，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。

微通道换热器作为换热器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。

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，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压(15MPa～25MPa)条件下具备耐腐蚀、抗压性能。

本实施方式中部分冷却循环启用下，若透平效率达到87％、压缩机效率达到82％，则整体热力系统循环效率可达36％。

本实施方式中简单循环启用下，可实现热电联供，循环发电效率33％，提供85℃、0.8MPa热水，其热功率占比三回路热源功率60％。

本实施方式中透平21与发电机31、主压缩机22、高温子压缩机23、低温子压缩机24同轴布置，避免了使用高品位能(电力)提供低品位能(机械功)的过程，热工转换装置体积大幅缩小50％～80％，更利于应用在空间狭小的场所，并更利于实现集成化。

采用新型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系统，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。

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 (4)

1.钠堆部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统，其特征在于：包括热源、第一回路、第二回路、钠-钠换热器(11)、钠-二氧化碳换热器(12)、主冷却器(15)和供热设备(51)；

所述第一回路通过钠-钠换热器(11)吸收热源的热量，再通过钠-二氧化碳换热器(12)将热量交换给第二回路，第二回路利用热量做功发电，发电后的剩余热量通过主冷却器(15)交换给供热设备(51)，为用户提供热能；

所述第二回路上设有透平(21)、发电机(31)、主压缩机(22)、高温子压缩机(23)和低温子压缩机(24)，透平(21)带动发电机(31)发电，且主压缩机(22)、高温子压缩机(23)和低温子压缩机(24)与发电机(31)同轴布置。

2.根据权利要求1所述的钠堆部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统，其特征在于：所述热源包括钠冷快堆(1)和内部自循环回路，钠冷快堆(1)通过内部自循环回路将热量交换给钠-钠换热器(11)，钠-钠换热器(11)再将热量交换给第一回路。

3.根据权利要求1所述的钠堆部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统，其特征在于：所述第二回路还包括低温回热器(13)、高温回热器(14)、间冷却器(16)、分流器(41)和汇流器(42)；

所述钠-二氧化碳换热器(12)冷端出口与透平(21)入口相连，透平(21)带动发电机(31)发电，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)热端出口与主冷却器(15)入口相连，主冷却器(15)出口与主压缩机(22)入口相连，主压缩机(22)出口与分流器(41)入口相连，分流器(41)出口A与间冷却器(16)入口相连，分流器(41)出口B与高温子压缩机(23)入口相连，间冷却器(16)出口与低温子压缩机(24)入口相连，低温子压缩机(24)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)入口B相连，高温子压缩机(23)出口与汇流器(42)入口A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。

4.根据权利要求1、2或3所述的钠堆部分冷却循环紧凑式超临界二氧化碳循环供能系统，其特征在于：所述供热设备(51)回水端与主冷却器(15)冷却工质侧入口相连，主冷却器(15)冷却工质侧出口与供热设备(51)相连。