CN111441838A - 深海空间站氦氙气冷堆发电*** - Google Patents

深海空间站氦氙气冷堆发电*** Download PDF

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柯志武
赵振兴
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柳勇
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Abstract

本发明涉及深海开发技术领域，公开了一种深海空间站氦氙气冷堆发电***，包括依次连接的氦氙气冷堆、磁流体发电模块、布雷顿发电模块和冷却压缩模块，冷却压缩模块的出口与氦氙气冷堆的进口连接。由于布雷顿循环发电与磁流体发电对循环工质温度的要求不同，本发明提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***，以氦氙混合气体为循环工质，通过使氦氙循环工质先经过对工质温度要求相对较高的磁流体发电模块，再经过对工质温度要求相对较低的布雷顿发电模块，实现了对氦氙循环工质能量的梯度利用，不但有效提高了***效率和输出功率，而且能够有效降低循环的回热需求、减少庞大的回热装置，使***更为紧凑，节省深海空间站宝贵的空间资源。

Description

深海空间站氦氙气冷堆发电***
技术领域
本发明涉及深海开发技术领域，特别是涉及一种深海空间站氦氙气冷堆发电***。
背景技术
深海空间站是进行深海经济开发和战略布局最重要的基础平台，其开展水下作业任务依赖于自身所携带的能源。深海空间站能源一般分为常规能源和核动力能源。其中，常规动力主要包括柴油发电机组、蓄电池组等。我国开发的“龙宫”深海空间站采用电池动力，水下续航时间通常不超过数十小时，导致深海空间站所能携带的有效负载和作业范围受到较大限制。
美国曾经开发了采用压水堆的核动力***的深海空间站，虽然提升了其作业范围和作业能力，但由于***动力转换效率低，设备庞大等，难以满足更深、更远的水下作业需求。目前国内外航天等领域均已研究了氦氙布雷顿循环核动力***、基于氦氙混合其他磁流体发电核动力***的技术，可提升核动力***转换效率，但提升效率依赖于庞大的回热装置，且对循环工质的能量利用率不高。
发明内容
本发明实施例提供一种深海空间站氦氙气冷堆发电***，用以解决现有深海空间站核能发电中对循环工质的能量利用率不高、提升效率依赖于庞大的回热装置的问题。
本发明实施例提供一种深海空间站氦氙气冷堆发电***，包括依次连接的氦氙气冷堆、磁流体发电模块、布雷顿发电模块和冷却压缩模块，所述冷却压缩模块的出口与所述氦氙气冷堆的进口连接。
其中，所述***还包括第一进口截止阀和第一旁通截止阀，所述磁流体发电模块的出口通过所述第一进口截止阀与所述布雷顿发电模块的进口连接，所述第一旁通截止阀的进口与所述磁流体发电模块的出口连接，所述第一旁通截止阀的出口与所述冷却压缩模块的进口连接。
其中，所述***还包括第二进口截止阀和第二旁通截止阀，所述氦氙气冷堆的出口通过所述第二进口截止阀与所述磁流体发电模块的进口连接，所述第二旁通截止阀的进口与所述氦氙气冷堆的出口连接，所述第二旁通截止阀的出口与所述布雷顿发电模块的进口连接。
其中，所述磁流体发电模块包括预电离装置和磁流体发电机；所述氦氙气冷堆的出口与所述预电离装置的进口连接，所述预电离装置的出口与所述磁流体发电机的进口连接，所述磁流体发电机的出口与所述布雷顿发电模块的进口连接，所述磁流体发电机的出口与所述布雷顿发电模块的进口之间设有第一止回阀。
其中，所述布雷顿发电模块包括传动连接的氦氙透平机和布雷顿发电机，所述磁流体发电模块的出口与所述氦氙透平机的进口连接，所述氦氙透平机的出口与所述冷却压缩模块的进口连接，所述氦氙透平机的出口与所述冷却压缩模块的进口之间设有第二止回阀。
其中，所述冷却压缩模块包括冷却器和氦氙压缩机，所述冷却器的工质侧进口与所述布雷顿发电模块的出口连接，所述冷却器的工质侧出口通过所述氦氙压缩机与所述氦氙气冷堆的进口连接。
其中，所述冷却压缩模块还包括回热器，所述布雷顿发电模块的出口通过所述回热器的回热侧与所述冷却器的工质侧进口连接，所述氦氙压缩机的出口通过所述回热器的预热侧与所述氦氙气冷堆的进口连接。
其中，所述氦氙压缩机与压缩电机传动连接。
其中，所述氦氙压缩机的转轴与所述布雷顿发电模块的转轴传动连接。
本发明实施例提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***，以氦氙混合气体为循环工质。氦氙循环工质从核反应堆将吸收热量后，具有较高的温度，满足磁流体发电对循环工质较高的温度要求。首先进入磁流体发电模块后，氦氙循环工质的一部分内能通过磁流体发电模块转换为电能输出，氦氙循环工质本身内能减少、温度降低。从磁流体发电模块的出口流出后，进入布雷顿发电模块，氦氙循环工质的又一部分内能通过布雷顿发电模块最终转换为电能输出。由于布雷顿循环发电与磁流体发电对循环工质温度的要求不同，本发明实施例提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***，通过使氦氙循环工质先经过对工质温度要求相对较高的磁流体发电模块，再经过对工质温度要求相对较低的布雷顿发电模块，实现了对氦氙循环工质能量的梯度利用，不但有效提高了***效率和输出功率，而且能够有效降低循环的回热需求、减少庞大的回热装置，使***更为紧凑，节省深海空间站宝贵的空间资源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***磁流体模式结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***布雷顿模式结构示意图；
图4为本发明另一实施例提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***联合循环模式结构示意图；
图中：1、氦氙气冷堆；2、第二进口截止阀；3、第二旁通截止阀；4、第一止回阀；5、第一进口截止阀；6、预电离装置；7、第一旁通截止阀；8、氦氙透平机；9、第二止回阀；10、压缩电机；11、回热器；12、氦氙压缩机；13、冷却器；14、布雷顿发电机；15、磁流体发电机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。
如图1、图4所示，本发明实施例提供了一种深海空间站氦氙气冷堆发电***，包括依次连接的氦氙气冷堆1、磁流体发电模块、布雷顿发电模块和冷却压缩模块，冷却压缩模块的出口与氦氙气冷堆1的进口连接。
磁流体发电，又称为“等离子体发电”，是通过流动的导电流体与磁场相互作用而产生电能。磁流体发电无需经过机械转换环节，将循环工质的内能直接转化为电能，是静态热电转换中效率最高的方式，具有无运动部件、低震动和噪声、结构紧凑、尺寸与质量较小等优点。为了保证工质能够电离成导电的离子流，磁流体发电工质入口温度需要达到2000K以上，以氦氙为工质的气冷反应堆能较好地满足磁流体发电的要求。
布雷顿循环是动态循环，其发电过程需要借助旋转机械的转动将循环工质的内能先转换为机械能，再通过发电机将机械能转换为电能。相较于磁流体发电，基于布雷顿循环进行发电对循环工质的温度要求相对较低，且具有更高的能量转换效率和更大的输出功率。
本发明实施例提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***，以氦氙混合气体为循环工质。氦氙混合气体为惰性气体二元混合物，具有良好的传热能力，可直接作为反应堆的冷却剂。相比于较为常用的氯气，采用氦氙混合气体作为循环工质能够有效提高闭式布雷顿循环的性能。另外，从传热能力方面考虑，氦氙混合气体在一定的混合比例下，其传热能力较氦气的高；从压气机体积质量方面考虑，压气机的级数与工质的分子量呈反比，因而，氦气混合较重的氙气后，可减少压气机级数；由反比规律可知，平均分子量为40的氦氙混合气体，相对于分子量约为4的氦气，压气机级数可减小为1/10。
氦氙循环工质从核反应堆将吸收热量后，具有较高的温度，满足磁流体发电对循环工质较高的温度要求。首先进入磁流体发电模块后，氦氙循环工质的一部分内能通过磁流体发电模块转换为电能输出，氦氙循环工质本身内能减少、温度降低。从磁流体发电模块的出口流出后，进入布雷顿发电模块，氦氙循环工质的又一部分内能通过布雷顿发电模块最终转换为电能输出。氦氙循环工质经冷却压缩模块的冷却和压缩后，回到反应堆，完成循环。以氦氙混合气体为循环工质，对高温反应堆进行气冷并形成闭式联合循环，没有排气，能够在无需添加燃料的情况下，保证几十年的能量输出。
由于布雷顿循环发电与磁流体发电对循环工质温度的要求不同，本发明实施例提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***，通过使氦氙循环工质先经过对工质温度要求相对较高的磁流体发电模块，再经过对工质温度要求相对较低的布雷顿发电模块，实现了对氦氙循环工质能量的梯度利用，不但有效提高了***效率和输出功率，而且能够有效降低循环的回热需求、减少庞大的回热装置，使***更为紧凑，节省深海空间站宝贵的空间资源。
本发明实施例提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***，磁流体发电模块和布雷顿发电模块可以是同时运行的，也可以是分别独立运行的。可以根据磁流体发电模块和布雷顿发电模块的不同运行状态，将***的运行状态分为联合循环模式、布雷顿模式和磁流体模式。
一个具体实施例中，如图2所示，深海空间站氦氙气冷堆发电***还包括第一进口截止阀5和第一旁通截止阀7。磁流体发电模块的出口通过第一进口截止阀5与布雷顿发电模块的进口连接，第一旁通截止阀7的进口与磁流体发电模块的出口连接，第一旁通截止阀7的出口与冷却压缩模块的进口连接。当关闭第一进口截止阀5并打开第一旁通截止阀7时，第一旁通截止阀7对布雷顿发电模块形成并联旁通，从磁流体发电模块出口流出的氦氙循环工质将通过第一旁通截止阀7所控制的旁通管路直接进入冷却压缩模块，布雷顿发电模块没有氦氙循环工质流入并处于停机状态，此时，***处于仅磁流体发电模块运行的磁流体模式。
一个具体实施例中，如图3所示，深海空间站氦氙气冷堆发电***还包括第二进口截止阀2和第二旁通截止阀3。氦氙气冷堆1的出口通过第二进口截止阀2与磁流体发电模块的进口连接，第二旁通截止阀3的进口与氦氙气冷堆1的出口连接，第二旁通截止阀3的出口与布雷顿发电模块的进口连接。当关闭第二进口截止阀2并打开第二旁通截止阀3时，第二旁通截止阀3对磁流体发电模块形成并联旁通，从氦氙气冷堆1出口流出的氦氙循环工质将通过第二旁通截止阀3所控制的旁通管路直接进入布雷顿发电模块，磁流体发电模块没有氦氙循环工质流入并处于停机状态，此时，***处于仅布雷顿发电模块运行的布雷顿模式。
一个具体实施例中，如图1、图4所示，深海空间站氦氙气冷堆发电***同时包括上述第一进口截止阀5、第一旁通截止阀7、第二进口截止阀2和第二旁通截止阀3。当关闭第一旁通截止阀7、关闭第二旁通截止阀3、打开第一进口截止阀5、打开第二进口截止阀2时，氦氙循环工质从氦氙气冷堆1的出口流出后，将依次经第二进口截止阀2进入磁流体发电模块，经第一进口截止阀5进入布雷顿发电模块，最后经冷却压缩模块后从氦氙气冷堆1的进口再次进入反应堆，完成循环。此时，***处于磁流体发电模块和布雷顿发电模块均运行的联合循环模式。
磁流体发电是静态转换，***在磁流体模式运行时，布雷顿发电模块中用于进行热能-动能转换的透平旋转机械和用于进行动能-电能转换的发电旋转机械均处于停机状态，从而可以降低***的整体噪声，保证深海工作人员的舒适性；此外，由于停止了上述运动部件的运行，还可以减少其磨损和运维成本，增加***可靠性，适合在深海停驻、长期工作时提供所需电能。
布雷顿循环是动态转换，通过回热等手段，其转换效率比磁流体发电高。因此，布雷顿模式适合于深海空间站在进行海底工作地点转换、海底航行等较大的电输出功率时运行。
联合循环模式时，磁流体发电模块和布雷顿发电模块均处于运行状态，***可提供最大的输出功率，并通过对氦氙循环工质能量的梯度利用实现了较高的能量利用率。***通过提供多种运行模式，可以适应深海空间站不同工作和运行状态下高功率、中功率和低功率的需求。另外，深海空间站氦氙气冷堆发电***可以是分布式布置和供电，以进一步提升能量利用率。比如，磁流体发电的静音性较好，可布置在距离人员较近的区域，并利用磁流体发电产生人员生活用电；而布雷顿循环输出功率较大，可布置于深海空间站工作负载较近的区域，并利用布雷顿发电产生深海空间站的工作用电。
一个具体实施例中，磁流体发电模块包括预电离装置6和磁流体发电机15。氦氙气冷堆1的出口与预电离装置6的进口连接，预电力装置的进口即为磁流体发电模块的进口；预电离装置6的出口与磁流体发电机15的进口连接，磁流体发电机15的出口与布雷顿发电模块的进口连接，磁流体发电机15的出口与布雷顿发电模块的进口之间设有第一止回阀4，第一止回阀4的出口即为磁流体发电模块的出口。
一个具体实施例中，布雷顿发电模块包括传动连接的氦氙透平机8和布雷顿发电机14，在氦氙透平机8内进行热能-动能的转换，在布雷顿发电机14内进行动能-电能的转换。磁流体发电模块的出口与氦氙透平机8的进口连接，氦氙透平机8的进口即为布雷顿发电模块的进口；氦氙透平机8的出口与冷却压缩模块的进口连接，氦氙透平机8的出口与冷却压缩模块的进口之间设有第二止回阀9，第二止回阀9的出口即为布雷顿发电模块的出口。
一个具体实施例中，冷却压缩模块包括冷却器13和氦氙压缩机12。冷却器13的工质侧进口与布雷顿发电模块的出口连接，冷却器13的工质侧出口通过氦氙压缩机12与氦氙气冷堆1的进口连接。冷却压缩模块还包括回热器11，布雷顿发电模块的出口通过回热器11的回热侧与冷却器13的工质侧进口连接，氦氙压缩机12的出口通过回热器11的预热侧与氦氙气冷堆1的进口连接。
本发明实施例提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***，氦氙压缩机12可以是与压缩电机10传动连接，通过压缩电机10带动氦氙压缩机12对氦氙循环工质进行压缩；也可以将氦氙压缩机12的转轴与布雷顿发电模块的转轴进行传动连接，将布雷顿发电模块由热能转换而来的动能直接通过传动装置传递给氦氙压缩机12的转轴，对氦氙循环工质进行旋转压缩，比如，可以将氦氙压缩机12的压缩转轴与氦氙透平机8的转轴同轴配制。
由以上实施例可以看出，本发明提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***，以氦氙混合气体为循环工质。氦氙循环工质从核反应堆将吸收热量后，具有较高的温度，满足磁流体发电对循环工质较高的温度要求。首先进入磁流体发电模块后，氦氙循环工质的一部分内能通过磁流体发电模块转换为电能输出，氦氙循环工质本身内能减少、温度降低。从磁流体发电模块的出口流出后，进入布雷顿发电模块，氦氙循环工质的又一部分内能通过布雷顿发电模块最终转换为电能输出。由于布雷顿循环发电与磁流体发电对循环工质温度的要求不同，本发明实施例提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***，通过使氦氙循环工质先经过对工质温度要求相对较高的磁流体发电模块，再经过对工质温度要求相对较低的布雷顿发电模块，实现了对氦氙循环工质能量的梯度利用，不但有效提高了***效率和输出功率，而且能够有效降低循环的回热需求、减少庞大的回热装置，使***更为紧凑，节省深海空间站宝贵的空间资源。进一步地，本发明实施例提供的深海空间站氦氙气冷堆发电***，磁流体发电模块和布雷顿发电模块可以是同时运行的，也可以是分别独立运行的。可以根据磁流体发电模块和布雷顿发电模块的不同运行状态，将***的运行状态分为联合循环模式、布雷顿模式和磁流体模式。***通过提供多种运行模式，可以适应深海空间站不同工作和运行状态下高功率、中功率和低功率的需求。另外，深海空间站氦氙气冷堆发电***可以是分布式布置和供电，以进一步提升能量利用率。比如，磁流体发电的静音性较好，可布置在距离人员较近的区域，并利用磁流体发电产生人员生活用电；而布雷顿循环输出功率较大，可布置于深海空间站工作负载较近的区域，并利用布雷顿发电产生深海空间站的工作用电。
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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种深海空间站氦氙气冷堆发电***，其特征在于，包括依次连接的氦氙气冷堆、磁流体发电模块、布雷顿发电模块和冷却压缩模块，所述冷却压缩模块的出口与所述氦氙气冷堆的进口连接。
2.根据权利要求1所述的深海空间站氦氙气冷堆发电***，其特征在于，所述***还包括第一进口截止阀和第一旁通截止阀，所述磁流体发电模块的出口通过所述第一进口截止阀与所述布雷顿发电模块的进口连接，所述第一旁通截止阀的进口与所述磁流体发电模块的出口连接，所述第一旁通截止阀的出口与所述冷却压缩模块的进口连接。
3.根据权利要求1所述的深海空间站氦氙气冷堆发电***，其特征在于，所述***还包括第二进口截止阀和第二旁通截止阀，所述氦氙气冷堆的出口通过所述第二进口截止阀与所述磁流体发电模块的进口连接，所述第二旁通截止阀的进口与所述氦氙气冷堆的出口连接，所述第二旁通截止阀的出口与所述布雷顿发电模块的进口连接。
4.根据权利要求1所述的深海空间站氦氙气冷堆发电***，其特征在于，所述磁流体发电模块包括预电离装置和磁流体发电机；所述氦氙气冷堆的出口与所述预电离装置的进口连接，所述预电离装置的出口与所述磁流体发电机的进口连接，所述磁流体发电机的出口与所述布雷顿发电模块的进口连接，所述磁流体发电机的出口与所述布雷顿发电模块的进口之间设有第一止回阀。
5.根据权利要求1所述的深海空间站氦氙气冷堆发电***，其特征在于，所述布雷顿发电模块包括传动连接的氦氙透平机和布雷顿发电机，所述磁流体发电模块的出口与所述氦氙透平机的进口连接，所述氦氙透平机的出口与所述冷却压缩模块的进口连接，所述氦氙透平机的出口与所述冷却压缩模块的进口之间设有第二止回阀。
6.根据权利要求1所述的深海空间站氦氙气冷堆发电***，其特征在于，所述冷却压缩模块包括冷却器和氦氙压缩机，所述冷却器的工质侧进口与所述布雷顿发电模块的出口连接，所述冷却器的工质侧出口通过所述氦氙压缩机与所述氦氙气冷堆的进口连接。
7.根据权利要求6所述的深海空间站氦氙气冷堆发电***，其特征在于，所述冷却压缩模块还包括回热器，所述布雷顿发电模块的出口通过所述回热器的回热侧与所述冷却器的工质侧进口连接，所述氦氙压缩机的出口通过所述回热器的预热侧与所述氦氙气冷堆的进口连接。
8.根据权利要求6所述的深海空间站氦氙气冷堆发电***，其特征在于，所述氦氙压缩机与压缩电机传动连接。
9.根据权利要求6所述的深海空间站氦氙气冷堆发电***，其特征在于，所述氦氙压缩机的转轴与所述布雷顿发电模块的转轴传动连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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