CN108799026A - 一种核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***及发电方法 - Google Patents

一种核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***及发电方法 Download PDF

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Abstract

一种核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***及发电方法，***包括核能加热回路、太阳能加热回路及发电回路，发电回路包括连接发电机的汽轮机，汽轮机的蒸汽入口经过热器连接蒸汽发生器，汽轮机的蒸汽出口经凝汽器以及给水循环泵通入蒸汽发生器；核能加热回路连接在蒸汽发生器上进行换热，核能加热回路中设有主泵、核反应堆以及稳压器；太阳能加热回路连接在过热器上进行换热，太阳能加热回路中设有低温熔盐罐、菲涅尔式太阳能镜场以及高温熔盐罐。在发电过程中，核能加热回路将蒸汽发生器中的冷却水加热为饱和蒸汽送入过热器，太阳能加热回路再将过热器中的饱和蒸汽加热为过热蒸汽。本发明能提高蒸汽参数，降低熔盐凝固风险，减少电伴热使用频率。

Description

一种核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***及发电方法
技术领域
本发明属于发电领域，涉及一种核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***及发电方法。
背景技术
核电厂是利用核裂变或核聚变反应所释放能量产生电能的发电厂，包括利用核裂变生产蒸汽的核岛以及利用蒸汽发电的常规岛。目前核电站的核岛一般配备的是自然循环的蒸汽发生器，只能产生饱和蒸汽，此外，出于反应堆的安全运行考虑，核岛冷却剂不允许沸腾(即<320℃)，因此，核电站通常是将回路产生8Mpa左右(约290℃)的饱和蒸汽通入汽轮机做功，蒸汽参数低导致发电效率不高。目前，以二元熔盐作为传储热介质的菲涅尔式太阳能光热发电，是一种主流的太阳能热发电技术，具有易于控制、成本较低、发电功率稳定的优点，但是由于熔盐的熔点较高，为了避免熔盐在换热***中凝固，一般设置二元熔盐的安全温度不低于290℃，在熔盐和水换热时，由于给水温度不高，为降低熔盐的凝固风险，需要配置足够的电伴热作为辅助，在低负荷运行时经常需要开启电伴热维持熔盐处于安全温度，导致防凝耗电严重，影响太阳能光热电站的经济性。因此，如何优化***设计，发挥新能源利用多能互补的优势、提高发电效率、提高电站经济性，是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***及发电方法，能够提高蒸汽参数，降低熔盐凝固的风险，减少电伴热使用频率。
为了实现上述目的，本发明核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***包括核能加热回路、太阳能加热回路及发电回路，所述的发电回路包括连接发电机的汽轮机，汽轮机的蒸汽入口经过热器连接蒸汽发生器，汽轮机的蒸汽出口经凝汽器以及给水循环泵通入蒸汽发生器；所述的核能加热回路连接在蒸汽发生器上进行换热，核能加热回路中设有主泵、核反应堆以及稳压器；所述的太阳能加热回路连接在过热器上进行换热，太阳能加热回路中设有低温熔盐罐、菲涅尔式太阳能镜场以及高温熔盐罐；所述的核能加热回路将蒸汽发生器中的冷却水加热为饱和蒸汽送入过热器，太阳能加热回路再将过热器中的饱和蒸汽加热为过热蒸汽。
所述的核反应堆为压水堆。
蒸汽发生器采用带汽水分离器的饱和蒸汽发生器或者立式直管强迫循环型蒸汽发生器。
所述的过热器采用管壳式换热器或板式换热器。
所述高温熔盐罐与低温熔盐罐的顶部分别设有均采用液下泵的高温熔盐泵和低温熔盐泵。
所述的菲涅尔式太阳能镜场中采用一次反射镜、二次反射镜以及真空集热管。
本发明核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***的发电方法，包括以下步骤：
1)主泵将低温循环介质送入核反应堆，低温循环介质吸热变为高温循环介质进入蒸汽发生器，稳压器补偿核能加热回路因温度变化引起的容积变化，高温循环介质在蒸汽发生器中将冷却水加热为饱和蒸汽，换热后的低温循环介质返回核反应堆；
2)低温熔盐罐将低温熔盐送入菲涅尔式太阳能镜场，低温熔盐吸收太阳能的热量后变为高温熔盐并进入高温熔盐罐，高温熔盐罐将高温熔盐送入过热器并将过热器中的饱和蒸汽加热为过热蒸汽，换热后的低温熔盐再进入低温熔盐罐；
3)给水循环泵将冷却水送入蒸汽发生器，吸收核能加热回路高温循环介质的热量变为饱和蒸汽，再离开蒸汽发生器进入过热器，饱和蒸汽吸收太阳能加热回路高温熔盐的热量变为过热蒸汽，再离开过热器进入汽轮机，过热蒸汽推动汽轮机做功并带动发电机对外输出电力，做功后的乏汽进入凝汽器变成冷却水，冷却水再次通过给水循环泵加压后送入蒸汽发生器加热为饱和蒸汽。
所述核能加热回路中的循环介质采用溶有硼酸的轻水、溶有硼酸的重水、溶有镉盐的轻水以及溶有镉盐的重水中的任意一种。
所述太阳能加热回路中的熔盐采用硝酸钠和硝酸钾按比例组成的二元混合熔盐。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通过将核电和菲涅尔式太阳能热发电结合，将电站循环水的加热过程分为两段，第一段利用核能将过冷水加热为饱和蒸汽，第二段利用太阳能将饱和蒸汽加热为过热蒸汽。本发明一方面克服了传统核电蒸汽参数低导致的发电效率低的缺点，将核电回路生成的饱和蒸汽进一步加热为过热蒸汽，通过提高蒸汽参数，提高了整体的发电效率；另一方面在太阳能加热回路中与熔盐换热的是来自核能加热回路290℃左右的饱和蒸汽，因此换热后二元熔盐的温度不会低于饱和蒸汽温度，大幅降低了传统采用二元熔盐作为储换热介质的太阳能光热发电站中熔盐的凝固风险，减少了电伴热使用频率，减少了厂用电量，提高了电站经济性。此外，本发明的***具有储热能力，通过配置大容量的储热***，能够在夜间或者太阳资源不佳的情况下正常运行，实现发电负荷的稳定输出。
附图说明
图1本发明的整体运行过程示意图；
附图中：1-核反应堆；2-稳压器；3-蒸汽发生器；4-主泵；5-菲涅尔式太阳能镜场；6-高温熔盐罐；7-低温熔盐罐；8-过热器；9-汽轮机；10-发电机；11-凝汽器；12-给水循环泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***，包括核能加热回路、太阳能加热回路及发电回路，发电回路包括连接发电机10的汽轮机9，汽轮机9的蒸汽入口经过热器8连接蒸汽发生器3，蒸汽发生器3采用带汽水分离器的饱和蒸汽发生器或者立式直管强迫循环型蒸汽发生器，过热器8采用管壳式换热器或板式换热器。汽轮机9的蒸汽出口经凝汽器11以及给水循环泵12通入蒸汽发生器3，核能加热回路连接在蒸汽发生器3上进行换热，核能加热回路中设有主泵4、核反应堆1以及稳压器2。太阳能加热回路连接在过热器8上进行换热，太阳能加热回路中依次设有低温熔盐罐7、菲涅尔式太阳能镜场5以及高温熔盐罐6；核能加热回路将蒸汽发生器3中的冷却水加热为饱和蒸汽送入过热器8，太阳能加热回路再将过热器8中的饱和蒸汽加热为过热蒸汽。本发明的核反应堆1采用压水堆，菲涅尔式太阳能镜场5至少包括一组菲涅尔式太阳能集热器，菲涅尔式太阳能集热器至少包括一次反射镜、二次反射镜、真空集热管、驱动装置和支撑结构。
实施例1
本发明核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***的发电方法，包括以下步骤：
步骤一：核能加热回路循环；
主泵4将压力为12Mpa，温度为282℃，流量为480kg/s的含硼冷却水送入核反应堆1，吸收核反应堆1产生的热量，被加热到295℃，进入蒸汽发生器3与发电回路给水循环泵12送入的水工质进行换热，蒸汽发生器3采用卧式蒸汽发生器，产生温度为280℃的饱和蒸汽进入太阳能加热回路，稳压器2通过改变蒸汽密度调节压力，保证核能加热回路***稳定。
步骤二：太阳能加热回路循环；
热熔盐罐中的热盐温度为500℃，冷熔盐罐中的冷盐温度为290℃，熔盐为60％硝酸钠和40％硝酸钾的混合二元熔盐，菲涅尔式太阳能镜场5包括20条全厂800m的菲涅尔式集热器。当太阳辐射强度达到或超过300W/m2时，温度为290℃的低温熔盐由低温熔盐罐7的出口流出进入菲涅尔式太阳能镜场5，吸收太阳能热量，被加热为500℃的高温熔盐返回至高温熔盐罐6；同时温度为500℃的高温熔盐由高温熔盐罐6流出进入过热器8与核能加热回路来的饱和蒸汽换热，过热器为管壳式换热器，蒸汽走管侧，熔盐走壳侧，熔盐流量为29kg/s；饱和蒸汽被加热为480℃的过热蒸汽进入发电回路，高温熔盐温度降低为290℃，返回低温熔盐罐7。
步骤三：发电回路循环；
温度为480℃，流量为16kg/s的过热蒸汽进入汽轮机9做功，将蒸汽的热能转化为机械能，汽轮机9带动发电机10发电，将机械能转化为电能输出，发电机10的额定输出功率为10MW；做功后的乏汽进入凝汽器11放热后，通过给水循环泵12加压返回核能加热回路的蒸汽发生器3开始新的吸放热循环。
实施例2
本发明核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***的发电方法，包括以下步骤：
步骤一：核能加热回路循环；
主泵4将压力为13Mpa，温度为282℃，流量为920kg/s的含镉冷却水送入核反应堆1，吸收核反应堆产生的热量，被加热到310℃，进入蒸汽发生器3与发电回路给水循环泵12送入的水工质进行换热，蒸汽发生器3采用卧式蒸汽发生器，产生温度为290℃的饱和蒸汽进入太阳能加热回路，稳压器2通过改变蒸汽密度调节压力，保证核能加热回路***稳定。
步骤二：太阳能加热回路循环；
热熔盐罐中的热盐温度为555℃，冷熔盐罐中的冷盐温度为300℃，熔盐为40％硝酸钠和60％硝酸钾组成的混合二元熔盐，菲涅尔式太阳能镜场5包括80条全厂1000m的菲涅尔集热器。当太阳辐射强度达到或超过300W/m2时，温度为300℃的低温熔盐由低温熔盐罐7的出口流出进入菲涅尔式太阳能镜场5，吸收太阳能热量，被加热为555℃的高温熔盐返回高温熔盐罐6；同时温度为555℃的高温熔盐由高温熔盐罐6流出，进入过热器8与一回路来的饱和蒸汽进行换热，换热器为板式换热器，熔盐流量为86kg/s；饱和蒸汽被加热为540℃的过热蒸汽进入发电回路，高温熔盐温度降低为300℃，返回低温熔盐罐7。
步骤三：发电回路循环；
温度为540℃，流量为50kg/s的过热蒸汽进入汽轮机9做功，将蒸汽的热能转化为机械能，由汽轮机9带动发电机10进行发电，将机械能转化为电能输出，发电机10的额定输出功率为50MW；做功后的乏汽进入凝汽器11放热后，通过给水循环泵12加压返回核能加热回路的蒸汽发生器3开始新的吸放热循环。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***，其特征在于：包括核能加热回路、太阳能加热回路及发电回路，所述的发电回路包括连接发电机(10)的汽轮机(9)，汽轮机(9)的蒸汽入口经过热器(8)连接蒸汽发生器(3)，汽轮机(9)的蒸汽出口经凝汽器(11)以及给水循环泵(12)通入蒸汽发生器(3)；所述的核能加热回路连接在蒸汽发生器(3)上进行换热，核能加热回路中设有主泵(4)、核反应堆(1)以及稳压器(2)；所述的太阳能加热回路连接在过热器(8)上进行换热，太阳能加热回路中设有低温熔盐罐(7)、菲涅尔式太阳能镜场(5)以及高温熔盐罐(6)；所述的核能加热回路将蒸汽发生器(3)中的冷却水加热为饱和蒸汽送入过热器(8)，太阳能加热回路再将过热器(8)中的饱和蒸汽加热为过热蒸汽。
2.根据权利要求1所述的核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***，其特征在于：所述的核反应堆(1)为压水堆。
3.根据权利要求1所述的核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***，其特征在于：所述的蒸汽发生器(3)采用带汽水分离器的饱和蒸汽发生器或者立式直管强迫循环型蒸汽发生器。
4.根据权利要求1所述的核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***，其特征在于：所述的过热器(8)采用管壳式换热器或板式换热器。
5.根据权利要求1所述的核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***，其特征在于：高温熔盐罐(6)与低温熔盐罐(7)的顶部分别设有均采用液下泵的高温熔盐泵和低温熔盐泵。
6.根据权利要求1所述的核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***，其特征在于：所述的菲涅尔式太阳能镜场(5)中采用一次反射镜、二次反射镜以及真空集热管。
7.一种基于权利要求1所述核能和菲涅尔式太阳能光热联合发电***的发电方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)主泵(4)将低温循环介质送入核反应堆(1)，低温循环介质吸热变为高温循环介质进入蒸汽发生器(3)，稳压器(2)补偿核能加热回路因温度变化引起的容积变化，高温循环介质在蒸汽发生器(3)中将冷却水加热为饱和蒸汽，换热后的低温循环介质返回核反应堆(1)；
2)低温熔盐罐(7)将低温熔盐送入菲涅尔式太阳能镜场(5)，低温熔盐吸收太阳能的热量后变为高温熔盐并进入高温熔盐罐(6)，高温熔盐罐(6)将高温熔盐送入过热器(8)并将过热器(8)中的饱和蒸汽加热为过热蒸汽，换热后的低温熔盐再进入低温熔盐罐(7)；
3)给水循环泵(12)将冷却水送入蒸汽发生器(3)，吸收核能加热回路高温循环介质的热量变为饱和蒸汽，再离开蒸汽发生器(3)进入过热器(8)，饱和蒸汽吸收太阳能加热回路高温熔盐的热量变为过热蒸汽，再离开过热器(8)进入汽轮机(9)，过热蒸汽推动汽轮机(9)做功并带动发电机(10)对外输出电力，做功后的乏汽进入凝汽器(11)变成冷却水，冷却水再次通过给水循环泵(12)加压后送入蒸汽发生器(3)加热为饱和蒸汽。
8.根据权利要求7所述的发电方法，其特征在于：所述核能加热回路中的循环介质采用溶有硼酸的轻水、溶有硼酸的重水、溶有镉盐的轻水以及溶有镉盐的重水中的任意一种。
9.根据权利要求7所述的发电方法，其特征在于：所述太阳能加热回路中的熔盐采用硝酸钠和硝酸钾按比例组成的二元混合熔盐。
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