CN220229085U - 一种核聚变堆混合储能及换热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种核聚变堆混合储能及换热系统，包括：熔盐炉、高温熔盐罐、低温熔盐罐和蒸汽发生单元；所述熔盐炉一端通过管路与高温熔盐罐连接；所述高温熔盐罐另一端通过高温熔盐换热管路与蒸汽发生单元一端连接；所述蒸汽发生单元另一端通过高温熔盐换热管路与低温熔盐罐一端连接；所述低温熔盐罐另一端通过低温熔盐加热管路与熔盐炉连接。本实用新型实现能量梯级存储，利用反应堆一回路热量预先加热低温熔盐，利用电能或其它能源进一步将熔盐加热至液态稳定温度，通过两级加热，充分利用液态熔盐的储热能力，提高熔盐储热密度，优化了储热系统体量，实现能量梯级存储。

Description

一种核聚变堆混合储能及换热系统

技术领域

本实用新型属于核聚变堆储能技术领域，特别涉及一种核聚变堆混合储能及换热系统。

背景技术

随着国际热核聚变实验堆(ITER)计划的展开和推进以及我国的加入，国内相关科研单位相继开展了核聚变堆的技术研发，其中急需解决的问题之一就是实现可控的核聚变反应，这是未来核聚变堆研发的重要方向。

当前配套核聚变厂使用的聚变堆储能系统尚处于概念设计阶段，主要是利用聚变堆一回路热量加热低温储热介质储存能量，且对于水冷包层的核聚变反应堆，一回路参数为约300℃，无论是选取熔盐还是导热油作为储热介质，都仅利用了储热介质的一部分储热能力，导致储热体量偏大，储能效率偏低，核聚变堆核电机组商业化暂无法推进商业化。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型公开了一种核聚变堆混合储能及换热系统，包括：熔盐炉、高温熔盐罐、低温熔盐罐和蒸汽发生单元；

所述熔盐炉一端通过管路与高温熔盐罐连接；

所述高温熔盐罐另一端通过高温熔盐换热管路与蒸汽发生单元一端连接；

所述蒸汽发生单元另一端通过高温熔盐换热管路与低温熔盐罐一端连接；

所述低温熔盐罐另一端通过低温熔盐加热管路与熔盐炉连接。

更进一步地，所述蒸汽发生单元包括预热器、蒸发器和过热器；

所述预热器管侧与蒸发器壳侧一端通过给水加热管路顺次连接；

所述蒸发器壳侧另一端和过热器管侧通过第一饱和蒸汽管路顺次连接；

所述蒸发器壳侧汽空间与预热器壳侧一端通过第二饱和蒸汽管路连接，预热器壳侧另一端与除氧器连接；

所述过热器壳侧一端通过管路与高温熔盐罐连接，另一端与蒸发器管侧一端连接；

所述蒸发器管侧另一端通过管路与低温熔盐罐连接。

更进一步地，还包括：前置加热器；

所述前置加热器设置于熔盐炉和低温熔盐罐之间的低温熔盐加热管路上，前置加热器壳侧一端与熔盐炉连接，另一端与低温熔盐罐连接；

所述前置加热器管侧通过反应堆冷却剂换热管路与反应堆冷却剂系统连接。

更进一步地，还包括：混合联箱；

所述混合联箱一端通过管路与高温熔盐罐连接，另一端通过管路与过热器连接。

更进一步地，还包括：低温熔盐泵、第一隔离阀、第一止回阀、第二隔离阀和第三隔离阀；

所述第一隔离阀、低温熔盐泵、第一止回阀、第二隔离阀和第三隔离阀依次设置在低温熔盐加热管路上，第一隔离阀一端与低温熔盐罐连接，第三隔离阀一端与前置加热器壳侧连接；

所述第二隔离阀和第三隔离阀之间的管路通过熔盐混合管路连接至混合联箱；

所述熔盐混合管路依次设置有第十二隔离阀和第三调节阀；

所述第十二隔离阀一端与第三调节阀一端连接；

所述第三调节阀另一端与混合联箱连接。

更进一步地，还包括：第一调节阀和第四隔离阀；

所述第一调节阀一端与前置加热器壳侧一端连接，另一端与第四隔离阀一端连接；

所述第四隔离阀另一端与熔盐炉连接。

更进一步地，还包括：第二调节阀和第五隔离阀；

所述第二调节阀一端与熔盐炉连接，另一端与第五隔离阀一端连接；

所述第五隔离阀另一端与高温熔盐罐连接。

更进一步地，还包括：高温熔盐泵、第六隔离阀、第二止回阀和第七隔离阀；

所述第六隔离阀、高温熔盐泵、第二止回阀和第七隔离阀依次连接，第六隔离阀一端与高温熔盐罐连接，第七隔离阀一端与混合联箱连接。

更进一步地，还包括：第八隔离阀和第九隔离阀；

所述第八隔离阀一端与混合联箱连接，另一端与过热器连接；

所述第九隔离阀一端与过热器连接，另一端与蒸发器连接。

更进一步地，还包括：第十隔离阀和第十一隔离阀；

所述第十隔离阀和第十一隔离阀顺次连接，第十隔离阀一端与蒸发器连接，第十一隔离阀一端与低温熔盐罐连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)为核聚变反应堆提供了一种能量存储和蒸汽转换方法和途径，有利于推进核聚变堆核电机组商业化；

(2)采用高温熔盐(Hitec XL)作为储热介质，提高熔盐有效温度存储区间；

(3)实现能量梯级存储，利用反应堆一回路热量预先加热低温熔盐，利用电能或其它能源进一步将熔盐加热至液态稳定温度(500℃)，通过两级加热，充分利用液态熔盐的储热能力，提高熔盐储热密度，优化了储热系统体量，实现能量梯级存储；

(4)高温熔盐同低温熔盐混合至约300℃后再同给水换热，优化蒸汽发生系统换热端差，减小设备热应力；

(5)配置储能及蒸汽转换装置，可在反应堆零功率期间为汽轮机提供稳定连续的蒸汽，解决反应堆等离子体脉冲带来的蒸汽不连续供应问题，为聚变堆能量利用提供具备安全性、可行性的方法。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型的核聚变堆混合储能及换热系统的结构示意图；

附图标记：1、熔盐炉；2、高温熔盐罐；3、低温熔盐罐；4、低温熔盐泵；5、前置加热器；6、预热器；7、蒸发器；8、过热器；9、混合联箱；10、高温熔盐泵；11、第一隔离阀；12、第一止回阀；13、第二隔离阀；14、第三隔离阀；15、第一调节阀；16、第四隔离阀；17、第二调节阀；18、第五隔离阀；19、第六隔离阀；20、第二止回阀；21、第七隔离阀；22、第八隔离阀；23、第九隔离阀；24、第十隔离阀；25、第十一隔离阀；26、第十二隔离阀；27、第三调节阀。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提出的一种核聚变堆混合储能及换热系统，包括：熔盐炉1、高温熔盐罐2、低温熔盐罐3和蒸汽发生单元；

所述熔盐炉1一端通过管路与高温熔盐罐2连接；

所述高温熔盐罐2另一端通过高温熔盐换热管路与蒸汽发生单元一端连接；

所述蒸汽发生单元另一端通过高温熔盐换热管路与低温熔盐罐3一端连接；

所述低温熔盐罐3另一端通过低温熔盐加热管路与熔盐炉1连接；

示例性的，熔盐炉1有天然气熔盐炉、重油熔盐炉、燃煤熔盐炉、水煤气熔盐炉、氢气熔盐炉等型式，采用直接火焰加热立式圆筒炉结构型式，炉管中加热介质为熔融状态的无机盐-熔盐。

示例性的，熔盐炉1可替换为熔盐电加热器，一种利用特殊管状电热元件结合法兰集束的形式与压力容器组成一个供热整体，利用加热硝盐来融熔硝盐作为加热介质。一般这种加热方式与熔盐槽组成一个整体，当常温下的硝盐倒入熔盐槽中以后，利用熔盐槽内的少量电热元件给其预热，使之变为液态，然后通过熔盐泵抽取熔盐往加热器内部流，进一步给熔盐增温，到达熔盐加热器出口处已经基本完成加热的目的，并与用户的用热设备形成一个循环的整体，源源不断的给其加热，从而满足工艺的要求。

高温熔盐换热管路：高温熔盐罐2中的高温介质，由高温熔盐泵10经混合联箱9送至蒸汽发生单元，同给水换热后回至低温熔盐罐3，与低温熔盐加热管路形成闭式循环回路。

在一些实施例中，所述蒸汽发生单元包括预热器6、蒸发器7和过热器8；

所述预热器6管侧与蒸发器7壳侧一端通过给水加热管路顺次连接；给水经蒸发器7加热后成为饱和蒸汽，经过第一饱和蒸汽管路至过热器8管侧与主蒸汽管路连接；

所述蒸发器7壳侧另一端和过热器8管侧通过第一饱和蒸汽管路顺次连接；

所述蒸发器7壳侧汽空间与预热器6壳侧一端通过第二饱和蒸汽管路连接，预热器6壳侧另一端与除氧器连接；

所述过热器8壳侧一端通过管路与高温熔盐罐2连接，另一端与蒸发器7管侧一端连接；

所述蒸发器7管侧另一端通过管路与低温熔盐罐3连接。

蒸汽发生单元(盐水换热器)：蒸汽发生单元用于将熔盐存储的热量传递给汽轮机工质水(汽)，以驱动汽轮发电机组产生电能。蒸汽发生单元为三段式，分别为预热器6、蒸发器7和过热器8，三者均采用U形管式换热器，给水在蒸汽发生单元中经过加热、蒸发、过热段后变为过热蒸汽。可在反应堆零功率期间为汽轮机提供稳定连续的蒸汽，解决反应堆等离子体脉冲带来的蒸汽不连续供应问题，提高常规电力系统效率、安全性和经济性。

给水加热管路：常规岛来给水流经预热器6管侧、蒸发器7壳侧同高温熔盐换热变成饱和蒸汽，流经过热器8管侧换热后变成具有一定过热度的过热蒸汽。

主蒸汽管路：过热器8管侧换热后的过热蒸汽经主蒸汽管道进入汽轮机做功的管路。

高温熔盐同低温熔盐混合至约300℃后再同给水换热，优化蒸汽发生系统换热端差，减小设备热应力。

在一些实施例中，一种核聚变堆混合储能及换热系统还包括：前置加热器5；

所述前置加热器5为卧式U形管式热交换器，设置于熔盐炉1和低温熔盐罐3之间的低温熔盐加热管路上，前置加热器5壳侧一端与熔盐炉1连接，另一端与低温熔盐罐3连接；

所述前置加热器5管侧通过反应堆冷却剂换热管路与反应堆冷却剂系统连接；

通过前置加热器5与熔盐炉1两级加热，充分利用液态熔盐的储热能力，提高熔盐储热密度，优化了储热系统体量，实现能量梯级存储。

反应堆冷却剂换热管路：利用反应堆冷却剂热量对低温熔盐进行初步加热。

在一些实施例中，一种核聚变堆混合储能及换热系统还包括：混合联箱9；

所述混合联箱9一端通过管路与高温熔盐罐2连接，另一端通过管路与过热器8连接。

在一些实施例中，一种核聚变堆混合储能及换热系统还包括：低温熔盐泵4、第一隔离阀11、第一止回阀12、第二隔离阀13和第三隔离阀14；

所述第一隔离阀11、低温熔盐泵4、第一止回阀12、第二隔离阀13和第三隔离阀14依次设置在低温熔盐加热管路上，第一隔离阀11一端与低温熔盐罐3连接，第三隔离阀14一端与前置加热器5壳侧连接；

所述第二隔离阀13和第三隔离阀14之间的管路通过熔盐混合管路连接至混合联箱9；

所述熔盐混合管路依次设置有第十二隔离阀26和第三调节阀27；

所述第十二隔离阀26一端与第三调节阀27一端连接；

所述第三调节阀27另一端与混合联箱9连接；

熔盐混合管路：从低温熔盐罐3经低温熔盐泵4出口旁路接至混合联箱9。第十二隔离阀26用于起关断隔离作用，第三调节阀27通过控制低温熔盐流量调节过热器进口温度至系统所需。

低温熔盐加热管路：低温熔盐罐3中的低温液态熔盐，由低温熔盐泵4经前置加热器5壳侧初步加热后，输送至熔盐炉1或熔盐电加热设备进一步加热，高温熔盐以液态型式储存至高温熔盐罐2中。第一隔离阀11、第二隔离阀13用于泵检修停运期间隔离，第一止回阀12用于防止介质倒流进低温熔盐泵4，第三隔离阀14用于换热器间隔离。

在一些实施例中，一种核聚变堆混合储能及换热系统还包括：第一调节阀15和第四隔离阀16；

所述第一调节阀15一端与前置加热器5壳侧一端连接，另一端与第四隔离阀16一端连接；

所述第四隔离阀16另一端与熔盐炉1连接；

第一调节阀15用于熔盐加热温度调节，第四隔离阀16用于换热器间隔离。

在一些实施例中，一种核聚变堆混合储能及换热系统还包括：第二调节阀17和第五隔离阀18；

所述第二调节阀17一端与熔盐炉1连接，另一端与第五隔离阀18一端连接；

所述第五隔离阀18另一端与高温熔盐罐2连接；

第二调节阀17用于熔盐加热温度调节，第五隔离阀18用于熔盐炉1和高温熔盐罐2间的隔离。

在一些实施例中，一种核聚变堆混合储能及换热系统还包括：高温熔盐泵10、第六隔离阀19、第二止回阀20和第七隔离阀21；

所述第六隔离阀19、高温熔盐泵10、第二止回阀20和第七隔离阀21依次连接，第六隔离阀19一端与高温熔盐罐2连接，第七隔离阀21一端与混合联箱9连接；

第六隔离阀19和第七隔离阀21用于泵检修停运期间隔离，第二止回阀20用于防止介质倒流进高温熔盐泵10。

熔盐泵采用立式泵，电机位于罐顶的支撑结构上，泵的长轴深入罐底部。由于熔盐泵无法将熔盐全部泵出，因此熔盐罐底部有最低液位，一般为1m。泵停止工作时，泵内的熔盐在重力作用下自动流回罐内。

在一些实施例中，一种核聚变堆混合储能及换热系统还包括：第八隔离阀22和第九隔离阀23；

所述第八隔离阀22一端与混合联箱9连接，另一端与过热器8连接；

所述第九隔离阀23一端与过热器8连接，另一端与蒸发器7连接；

第八隔离阀22和第九隔离阀23用于换热器间隔离。

在一些实施例中，一种核聚变堆混合储能及换热系统还包括：第十隔离阀24和第十一隔离阀25；

所述第十隔离阀24和第十一隔离阀25顺次连接，第十隔离阀24一端与蒸发器7连接，第十一隔离阀25一端与低温熔盐罐3连接；

第十隔离阀24和第十一隔离阀25用于换热器间隔离。

本实用新型中提出的一种核聚变堆混合储能及换热系统的具体工作流程为：

储能时，通过前置加热器5、熔盐炉1加热低温熔盐，变为高温热能储存在熔盐中；释能时，利用高温熔盐储存的热能加热给水产生水蒸汽，驱动蒸汽轮机发电，实现能量释放。

首先利用一回路冷却剂在前置加热器5中将来自低温熔盐罐3由低温熔盐泵4泵送的低温熔盐进行第一级加热；然后利用燃料的化学能或者电能通过熔盐炉1或者熔盐电加热器将第一级加热后的熔盐加热至500℃的高温，然后将高温的熔盐储存在高温熔盐罐2中，此过程实现了热能的传递以及化学能向热能的转化。

释能时，高温熔盐罐2内的高熔融盐经高温熔盐泵10不断输送到蒸汽发生单元，即过热器8、蒸发器7和预热器6中，加热水产生蒸汽推动蒸汽轮机发电，此过程实现了热能向电能的转化，而高温熔盐则不断放热变为低温熔盐回到低温熔盐罐3中，完成一次循环。

同时低温熔盐与高温熔盐混合后至约300℃再同给水换热，优化蒸汽发生系统换热端差，减小设备热应力。

在本实用新型实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型创造中的具体含义。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种核聚变堆混合储能及换热系统，其特征在于，包括：熔盐炉(1)、高温熔盐罐(2)、低温熔盐罐(3)和蒸汽发生单元；

所述熔盐炉(1)一端通过管路与高温熔盐罐(2)连接；

所述高温熔盐罐(2)另一端通过高温熔盐换热管路与蒸汽发生单元一端连接；

所述蒸汽发生单元另一端通过高温熔盐换热管路与低温熔盐罐(3)一端连接；

所述低温熔盐罐(3)另一端通过低温熔盐加热管路与熔盐炉(1)连接。

2.根据权利要求1所述的核聚变堆混合储能及换热系统，其特征在于，所述蒸汽发生单元包括预热器(6)、蒸发器(7)和过热器(8)；

所述预热器(6)管侧与蒸发器(7)壳侧一端通过给水加热管路顺次连接；

所述蒸发器(7)壳侧另一端和过热器(8)管侧通过第一饱和蒸汽管路顺次连接；

所述蒸发器(7)壳侧汽空间与预热器(6)壳侧一端通过第二饱和蒸汽管路连接，预热器(6)壳侧另一端与除氧器连接；

所述过热器(8)壳侧一端通过管路与高温熔盐罐(2)连接，另一端与蒸发器(7)管侧一端连接；

所述蒸发器(7)管侧另一端通过管路与低温熔盐罐(3)连接。

3.根据权利要求2所述的核聚变堆混合储能及换热系统，其特征在于，还包括：前置加热器(5)；

所述前置加热器(5)设置于熔盐炉(1)和低温熔盐罐(3)之间的低温熔盐加热管路上，前置加热器(5)壳侧一端与熔盐炉(1)连接，另一端与低温熔盐罐(3)连接；

所述前置加热器(5)管侧通过反应堆冷却剂换热管路与反应堆冷却剂系统连接。

4.根据权利要求3所述的核聚变堆混合储能及换热系统，其特征在于，还包括：混合联箱(9)；

所述混合联箱(9)一端通过管路与高温熔盐罐(2)连接，另一端通过管路与过热器(8)连接。

5.根据权利要求4所述的核聚变堆混合储能及换热系统，其特征在于，还包括：低温熔盐泵(4)、第一隔离阀(11)、第一止回阀(12)、第二隔离阀(13)和第三隔离阀(14)；

所述第一隔离阀(11)、低温熔盐泵(4)、第一止回阀(12)、第二隔离阀(13)和第三隔离阀(14)依次设置在低温熔盐加热管路上，第一隔离阀(11)一端与低温熔盐罐(3)连接，第三隔离阀(14)一端与前置加热器(5)壳侧连接；

所述第二隔离阀(13)和第三隔离阀(14)之间的管路通过熔盐混合管路连接至混合联箱(9)；

所述熔盐混合管路依次设置有第十二隔离阀(26)和第三调节阀(27)；

所述第十二隔离阀(26)一端与第三调节阀(27)一端连接；

所述第三调节阀(27)另一端与混合联箱(9)连接。

6.根据权利要求5所述的核聚变堆混合储能及换热系统，其特征在于，还包括：第一调节阀(15)和第四隔离阀(16)；

所述第一调节阀(15)一端与前置加热器(5)壳侧一端连接，另一端与第四隔离阀(16)一端连接；

所述第四隔离阀(16)另一端与熔盐炉(1)连接。

7.根据权利要求6所述的核聚变堆混合储能及换热系统，其特征在于，还包括：第二调节阀(17)和第五隔离阀(18)；

所述第二调节阀(17)一端与熔盐炉(1)连接，另一端与第五隔离阀(18)一端连接；

所述第五隔离阀(18)另一端与高温熔盐罐(2)连接。

8.根据权利要求7所述的核聚变堆混合储能及换热系统，其特征在于，还包括：高温熔盐泵(10)、第六隔离阀(19)、第二止回阀(20)和第七隔离阀(21)；

所述第六隔离阀(19)、高温熔盐泵(10)、第二止回阀(20)和第七隔离阀(21)依次连接，第六隔离阀(19)一端与高温熔盐罐(2)连接，第七隔离阀(21)一端与混合联箱(9)连接。

9.根据权利要求8所述的核聚变堆混合储能及换热系统，其特征在于，还包括：第八隔离阀(22)和第九隔离阀(23)；

所述第八隔离阀(22)一端与混合联箱(9)连接，另一端与过热器(8)连接；

所述第九隔离阀(23)一端与过热器(8)连接，另一端与蒸发器(7)连接。

10.根据权利要求9所述的核聚变堆混合储能及换热系统，其特征在于，还包括：第十隔离阀(24)和第十一隔离阀(25)；

所述第十隔离阀(24)和第十一隔离阀(25)顺次连接，第十隔离阀(24)一端与蒸发器(7)连接，第十一隔离阀(25)一端与低温熔盐罐(3)连接。