CN113168923A - 发电站 - Google Patents

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Abstract

发电站***(10)，包括熔盐反应堆组件(20)、温跃层单元(30)、相变热交换器(70、72、74)和过程热力***(80、82、84)。温跃层单元(30)包括绝热罐(32)、初始入口(38)、多个区出口(40、42、44)和对应于每个区出口并堆叠在罐中的多个梯度区(50、52、54)。每个梯度区(50、52、54)具有储存在罐中并分层的处于对应于来自熔盐反应堆的熔盐供应的部分温度的熔盐部分(60、62、64)。处于较高部分温度的熔盐部分为需要较高温度的过程热力***产生热能，而处于较低部分温度的熔盐部分为需要较低温度的过程热力***产生热能。该***以受控的速率连续泵送熔盐供应，以输送热交换流体供应，从而在对应的特定过程热力***中进行工作。

Description

发电站
技术领域
本发明涉及一种发电站***。更具体地，本发明涉及一种核电站，例如具有熔盐反应堆的核电站。更具体地，本发明涉及一种储存来自整体熔盐反应堆的热能并将其转换成可用能量的***。本发明还涉及用于储存和转换热能的方法。
背景技术
核电站是以核反应堆为主要热源的一种热电站。在众所周知的应用中，来自受控核反应的热量产生蒸汽，蒸汽驱动发电机发电。利用热能发电的其他发电站包括替代能源，比如太阳能和风能。对于这些产生热能的发电站，热能在容量、效率和效用方面的储存和转换限于常规的热交换器和温跃层。对于一些核电站，比如基于轻水反应堆(LWR)的电站，热能的量很大且温度相对较低，这影响了将热能转换做功的效率。对于带有某些其他核反应堆的核电站来说，热能的量很大且温度非常高。熔盐反应堆(MSR)特别是整体熔盐反应堆(IMSR)产生这种核热能，其可用于更高级别的热处理，比如水解和氨生产。由于温度远高于产生蒸汽的水的沸点，发电是这种核热能的较低功能之一。
常规的储存和转换部件是相变热交换器和温跃层。在用于发电站的热交换器和温跃层领域已经公布了各种专利和专利申请。
2014年6月3日授予Mills的美国专利号8739512公开了一种太阳能发电站，其因太阳的周期性而需要热能储存。中介热能储存单元是***的一部分，温跃层罐和相变储存单元都被公开作为中介热能储存单元的选项。
2018年8月30日为Conlon公布的美国专利公开号2018/0245485也公开了一种用于为太阳能发电站发电的方法。太阳能发电的不一致性要求尽可能高效地储存太阳能，以便在夜间使用。该方法公开了用于发电任务的基于热差的具有调节循环的不同温度的多个温跃层罐。2017年4月18日授予Friesth的美国专利号9624913公开了用于任何可再生能源(风能、太阳能、地热等)的多个温跃层罐，不仅仅是太阳能发电站。
2012年12月20日为Ambrosek等人公开的美国专利公开号2012/0319410公开了两个相变热储存模块。两个模块的相互作用在主模块和副模块之间的热能输出方面更为具体。2015年2月17日授予Xiang等人的美国专利号8955320也描述了一种已知的相变热储存单元。该专利的范围涉及对热充电速率的各种控制。
其他参考文献将相变热交换器和温跃层单元视为某种程度可互换的。2017年5月16日授予Trainham等人的美国专利号9651313教导了另一种用于温跃层罐或相变储存单元的***。2017年12月21日为Bergan等人公开的美国专利公开号2017/0363368是另一种多罐***，其具有被视为等同替代的温跃层罐和相变储存单元。认识到，为了实际替换温跃层和相变热交换器，所有支持部件和多个其他控制器需要改变。热储存***可以是热能储存和转换的可互换替代方案，但实际***的物理部件不能简单地“即插即用”互换。
这些现有技术参考文献和热储存和转换部件的现有技术没有解决来自熔盐反应堆的热能的特定容量、效率和效用。
本发明的目的是提供一种适应来自整体熔盐反应堆的热能容量的发电站***。
本发明的目的是提供一种有效储存来自整体熔盐反应堆的热能的发电站***。
本发明的目的是提供一种适当地利用来自整体熔盐反应堆的热能的发电站***。
本发明的另一目的是提供具有温跃层单元的发电站***的实施例，该温跃层单元具有对应于储存在温跃层单元中的分层熔盐部分的梯度区。
本发明的另一目的是提供具有对应于每个梯度区和相应熔盐部分的相变热交换器的发电站***的实施例。
本发明的另一目的是提供向过程热力***输送热交换流体供应的发电站***的实施例。
本发明的又一目的是提供具有相互协作的相变热交换器和相应过程热力***以便向特定过程热力***供应热交换流体供应的发电站***的实施例。
本发明的又一目的是提供具有根据特定过程热力***的能量需求连续流过温跃层单元的熔盐部分的发电站***的实施例。
本发明的又一目的是提供将热交换流体供应输送到由熔盐部分和相邻的相变热交换器确定的过程热力***的发电站***的实施例。
本发明的又一目的是提供安全有效地补偿来自过程热力***的热能剩余和热能需求的动态变化的发电站***的实施例。
通过阅读所附说明书和所附权利要求书，本发明的这些及其他目的和优点将变得显而易见。
发明内容
本发明的实施例包括一种发电站***，其包括具有处于第一温度的熔盐供应的熔盐反应堆组件、与熔盐反应堆组件流体连接的温跃层单元、与温跃层单元流体连接的多个相变热交换器以及多个过程热力***。熔盐反应堆组件包括熔盐出口和盐返回管线。温跃层单元包括：具有顶端和底端的绝热罐；初始入口，其与熔盐反应堆的熔盐出口流体连接；多个区出口，其从罐的顶端布置到底端；以及罐内的多个梯度区。每个区出口限定对应梯度区。梯度区可以从罐的底端堆叠到顶端。每个梯度区可以具有处于部分温度的熔盐部分。罐的梯度区对应于温跃层内熔盐供应的分层熔盐部分之间的热边界。这些熔盐部分通过密度分开，因此形成多个热边界，并在对应部分温度下在每个熔盐部分中储存不同的热能。
本发明包括与对应出口、对应梯度区和相邻的相变热交换器流体连接的每个相变热交换器。每个相变热交换器包括：盐进口，其与对应区出口流体连接；盐出口，其与熔盐反应堆组件的盐返回管线流体连接；以及热交换流体供应，其与对应梯度区的对应熔盐部分成热交换关系。在一些实施例中，热交换流体供应也与相邻的相变热交换器流体连接。热能可以在相变热交换器之间传递，使得发电站***可以在特定部分温度下隔离热能以供过程热力***使用，或者控制热能分配到一个以上部分温度以供两个不同的过程热力***使用。
每个过程热力***与至少一个相变热交换器流体连接。过程热力***在适用于过程的部分温度下接收有用的热能。例如，发电站***可以为用于水解的过程热力***提供处于较高部分温度的热能，并为用于发电的过程热力***提供处于较低部分温度的热能。对热能进行管理，使得来自整体熔盐反应堆(IMSR)的处于第一温度的一定量和高温熔盐供应不是与过程热力***的唯一热交换关系。IMSR的熔盐供应可以被有效地储存并转换为用于一个以上过程热力***的有用热能。
本发明的实施例包括一种用于储存和转换热能的方法。该方法包括从熔盐反应堆组件产生处于第一温度的熔盐供应，并将熔盐供应流动或泵送至温跃层单元。熔盐供应在温跃层单元内分层，从而形成层中的多个熔盐部分。每个熔盐部分具有部分温度，并且对应于温跃层单元的梯度区。对应梯度区的每个部分温度高于堆叠在对应梯度区下方的相应梯度区的相应部分温度。该方法还包括将相应梯度区中的熔盐部分通过相应区出口流动或转移到多个相变热交换器。每个相变热交换器通过相应梯度区与相邻的相变热交换器和熔盐反应堆流体连接。从多个相变热交换器和熔盐部分产生至少一个操作热能供应。至少一个操作热能供应被输送到与对应相变热交换器流体连接的至少一个过程热力***。过程热力***接收用于过程热力***的特定功能的可用热能，即使来自IMSR的熔盐供应具有比对应于至少一个操作热能供应的部分温度高得多的第一温度。
在一些实施例中，该方法包括产生一个以上操作热能供应。第一相变热交换器和第二相变热交换器分别产生第一操作热能供应和第二热能供应。这两种不同的热能供应可以代表作为第一过程热力***的氨生产供应和作为第二过程热力***的发电供应。这两个过程热力***可以有效地同时接收用于两个功能的可用热能，即使来自IMSR的熔盐供应具有比对应于第一操作热能供应或第二操作热能供应的部分温度高得多的第一温度。附加相变热交换器可以为附加过程热力***产生附加操作热能供应。该方法可以结合来自单一熔盐供应的多个操作热能供应。
附图说明
图1是根据本发明的发电站***的实施例的前示意图。
图2是图1实施例的后示意图，示出了温跃层单元的另一侧。
图3是具有围绕温跃层单元堆叠的相变热交换器的发电站***的第一替代实施例的局部前示意图。
图4是具有温跃层单元的发电站***的第二替代实施例的局部前示意图，该温跃层单元具有围绕堆叠的相变热交换器的环形罐。
图5是根据本发明的用于热能的发电站***和方法的流程图。
具体实施方式
来自整体熔盐反应堆(IMSR)的热能需要考虑IMSR产生的热能的量和极高温度的熔盐供应。常规的温跃层(thermocline)具有用于一定量热能的储存容量，但热能变得不太有用，特别是对于高温处理热***或高温差处理热***。当储存这么多热能时，热能所储存的温度降低了来自IMSR的高热的功能。常规的相变热交换器在较高温度下具有转换热能的效率，但相变是如此的动态以至于储存容量非常低。本发明包括用于热能的核电站***10和方法，以解决熔盐反应堆且特别是IMSR的具体考虑。
参考图1、2和5，发电站***10的实施例包括具有处于第一温度的熔盐供应22的熔盐反应堆组件20、与熔盐反应堆流体连接的温跃层单元30、与温跃层30流体连接的多个相变热交换器70、72、74以及与至少一个相变热交换器70、72、74流体连接的多个处理热力***80、82、84。
熔盐反应堆组件20包括熔盐出口24和盐返回管线26。熔盐反应堆组件20包括具有核熔盐或燃料盐的熔盐反应堆。核熔盐或燃料盐是具有核燃料的盐，例如四氟化铀，并且由于健康和安全考虑，核熔盐或燃料盐实际上从未离开熔盐反应堆组件20。在熔盐反应堆组件20中可以有歧管和第二热交换器来处理熔盐反应堆或IMSR的这些核方面。这些部件在现有技术中作为背景信息是已知的，并且这些部件可以使用冷却剂盐来管理核燃料和来自燃料盐的热量。熔盐反应堆组件20中冷却剂盐的不同热交换回路可被认为是熔盐反应堆组件20的一部分。对于本发明，熔盐反应堆组件20在熔盐出口24处具有处于第一温度的熔盐供应22或工作盐。熔盐供应22或工作盐没有放射性，并且不是来自反应堆的直接核熔盐或燃料盐。在实践中，熔盐出口24处的熔盐供应22或工作盐处于约600℃，并且熔盐供应22或工作盐最经常与熔盐反应堆组件20的冷却剂盐成热交换关系。熔盐供应22或工作盐不与燃料盐的核燃料接触。如现有技术中已知，熔盐反应堆组件20可以包括反应堆和用于去除放射性的其他部件。对于本发明，熔盐反应堆组件20包括熔盐入口22和熔盐出口24。与温跃层单元30流体连接的熔盐供应22不是放射性的，并且可以是一个或两个其他热交换关系和歧管相互作用的结果，这些热交换关系和歧管相互作用将核热能转换成另一种待储存或处理或者两者兼有的热能。
盐返回管线26中的熔盐处于比第一温度低的温度。返回管线26中的熔盐可被重新用于冷却进一步的核反应，并通过熔盐出口24以第一温度被重新加热回到熔盐供应22中。熔盐反应堆组件20可以包括整体熔盐反应堆(IMSR)。更紧凑和可更换的IMSR是本发明的发电站***10的一个实施例。熔盐反应堆组件20可以是具有核心单元和其他部件以及用于如图1和2所示的核反应的连接的IMSR。在一些实施例中，熔盐供应22或工作盐包括载体盐，例如硝酸盐和氯化物。相反，核熔盐或燃料盐中的核燃料可以是四氟化铀，其不能安全地离开熔盐反应堆组件20。来自核反应的核熔盐或燃料盐中的氚必须被去除，并且熔盐反应堆组件20中的其他部件可以执行这种去除，例如与冷却剂盐的热交换回路。载体盐或工作盐可以离开熔盐反应堆组件20，并且可以选自氟化物盐。可以选择其他种类的盐，例如三种不同的氯化物盐、铍、钾，甚至锆也可以考虑。在本发明中，熔盐供应22是具有不同密度的混合物。在熔盐供应22或工作盐中存在至少两种不同的熔盐，从而存在至少两种密度。熔盐供应22必须能够根据密度分成不同的层。
温跃层单元30的实施例包括具有顶端34和底端36的绝热罐32、与熔盐反应堆的熔盐出口流体连接的初始入口38、从绝热罐32的顶端34布置到底端36的多个区出口40、42、44以及绝热罐32内的多个梯度区50、52、54。绝热罐32在内部也可以包括常规部件，例如石墨或沙子散热器，作为吸收附加热量的致密物质。常规温跃层部件在现有技术中是已知的。
绝热罐32通常可以是圆柱形的，初始入口38在顶端34处或附近。熔盐供应22通过初始入口38进入绝热罐32，并且必须在绝热罐32中沉淀。区出口40、42、44分散在顶端34和底端36之间。区出口40、42、44可以线性布置或彼此偏移，但区出口40、42、44必须位于距绝热罐32的顶端34不同的距离处。每个区出口40、42、44限定对应梯度区50、52、54。根据距区出口40、42、44的绝热罐32的顶端34的不同距离，这些梯度区50、52、54堆叠在顶端34和底端36之间。
每个梯度区50、52、54具有处于部分温度的熔盐部分60、62、64。随着熔盐供应22沉积在绝热罐32中，熔盐部分60、62、64形成分层的层。熔盐供应22由具有不同密度的不同盐构成；因此，绝热罐32允许熔盐供应22分成这些不同的部分。在相邻的熔盐部分60、62、64之间存在热边界，用作常规温跃层的常规热边界。在本发明中，温跃层单元30具有导致多个热边界和由多个热边界分隔和绝缘的不同熔盐部分60、62、64的成分(components)。
对应梯度区50、52、54的每个部分温度高于堆叠在对应梯度区50、52、54下方的相应梯度区50、52、54的相应部分温度。在图5中，作为示例，梯度区52中的熔盐部分62的部分温度低于梯度区50中的熔盐部分60，而高于梯度区54中的熔盐部分64。梯度区50、52、54可以通过放置对应区出口40、42、44来调节，以便匹配将熔盐供应22分层为熔盐部分60、62、64作为层。
在一实施例中，温跃层单元30的初始入口38连接到绝热罐32的顶端34，以便限定邻近绝热罐32的顶端34的顶部区出口40和具有处于顶部部分温度的顶部熔盐部分60的对应顶部梯度区50，如图2和5所示。图1-2还示出了绝热罐32的底端36附近以及绝热罐32底端36和顶端34之间的附加入口38A。可以有多个入口38、38A、38A，以便一个以上流体连接到温跃层单元30。熔盐供应22必须有时间沉淀，因此在绝热罐32中的多个水平处注射是本发明的一个实施例。顶端34处的初始入口38只是本发明的一个实施例。熔盐供应22的第一温度保持高于顶部熔盐部分60的顶部部分温度，但顶部熔盐部分60下方的熔盐部分62、64的部分温度朝向绝热罐32的底端36降低。
在一些实施例中，每个相变热交换器70、72、74与对应区出口40、42、44和对应梯度区50、52、54流体连接。图1、2和5示出了每个相变热交换器70、72、74与相邻的相变热交换器72、74、70和熔盐反应堆组件20流体连接，特别是通过温跃层单元30的对应区出口40、42、44和温跃层单元30的初始入口38。
图1、2和5还示出了每个相变热交换器70、72、74包括与对应区出口40、42、44流体连接的盐进口70A、72A、74A、与熔盐反应堆组件20的盐返回管线26流体连接的盐出口70B、72B、74B以及与对应梯度区50、52、54的对应熔盐部分60、62、64成热交换关系的热交换流体供应70C、72C、74C。
本发明的实施例包括与相邻的相变热交换器72、74、70流体连接的热交换流体供应70C、72C、74C。热能可以在相变热交换器70、72、74之间传递，以实现协同效应。例如，如果在对应于熔盐部分62的部分温度下需要热能，则熔盐部分60的热能可以通过相变热交换器70传递到相变热交换器72。熔盐部分60的较高温度对于不同温度下的需求仍然是有用的。
图1和2示出了包括工作熔盐供应70D、72D、74D的每个热交换流体供应。每个相变热交换器70、72、74中的热交换关系可以在相应熔盐部分60、62、64和单独的热交换流体之间，例如工作熔盐供应70D、72D、74D。工作熔盐供应70D、72D、74D将热能在从熔盐供应22、熔盐部分60、62、64和返回管线26到熔盐反应堆组件20的单独回路中传递到过程热力***80、82、84，如图5所示。在相变热交换器70、72、74中可以有其他常规部件，例如在熔盐部分60、62、64和最终工作熔盐供应70D、72D、74D之间传递热量的其他热交换流体。
工作熔盐供应70D、72D、74D与熔盐供应22、熔盐部分60、62、64和返回管线26从不相同。图1示出了具有从熔盐供应22、熔盐部分60、62、64、相变热交换器70、72、74和返回管线26的单回路的实施例。在第一温度下使用来自熔盐供应22的热能之后，存在将熔盐返回到熔盐反应堆组件20中的回路。熔盐供应22或工作盐更接近熔盐反应堆组件20中的放射性，因此作为整个IMSR***固有安全性的一部分，该熔盐供应22从未被泵出并输送通过发电站。
工作熔盐供应70D、72D、74D与熔盐供应22密封，并且不与熔盐供应22流体连接。工作熔盐供应70D、72D、74D与熔盐供应22的对应熔盐部分60、62、64成热交换关系。工作熔盐供应70D、72D、74D也可以包括载体盐，例如硝酸盐、氯化物和氟化物。这些工作熔盐供应70D、72D、74D没有核成分，但也可以选择其他盐类。对于工作熔盐供应70D、72D、74D没有混合物或多密度要求。
图3和4示出了多个相变热交换器70、72、74、170、172、174、270、272、274的不同实施例。图1和2示出了以阵列布置的相变热交换器70、72、74。相变热交换器70、72、74可以是具有标准管道、泵和阀连接的独立单元。相变热交换器70、72、74与温跃层单元30没有任何物理接触。图3示出了围绕绝热罐32堆叠的相变热交换器170、172、174的另一实施例。未详细示出温跃层单元的区出口、相变热交换器170、172、174的盐进口、相变热交换器170、172、174的盐出口以及相变热交换器170、172、174的热交换流体供应。标准管道、泵和阀连接包括本领域普通技术人员已知的这些部件。在堆叠构造中，这些部件可以更紧密地在一起，以实现更有效的热交换关系和更少的管道废热。
图4示出了另一替代实施例，温跃层单元30的罐包括限定中心区域233的环形罐232。在该实施例中，多个相变热交换器270、272、274堆叠在环形罐232的中心区域233内。同样未详细示出温跃层单元的区出口、相变热交换器170、172、174的盐进口、相变热交换器270、272、274的盐出口以及相变热交换器270、272、274的热交换流体供应。标准管道、泵和阀连接包括本领域普通技术人员已知的这些部件。在环形罐232的堆叠构造中，这些部件也可以更紧密地在一起，以实现更有效的热交换关系且甚至更少的管道废热。尤其是在相变热交换器270、272、274周围具有温跃层单元232的情况下，废热的减少更大。
图1、3和4示出了本发明的过程热力***80、82、84的示意图。多个过程热力***80、82、84可以是脱盐***84、制氢***82比如高温蒸汽电解(HTSE)***、或发电***80。过程热力***80、82、84是指使用热能的任何设备。发电站***10控制来自IMSR的热能被有效地储存、转换和分配到任何过程热力***80、82、84。过程热力***80、82、84在温度和量方面具有不同的热能需求。发电站***10允许在期望的温度下提供有效的热能，即使对于一些过程热力***的过热来说更低或者更高。
图1-5示出了附加实施例，其中第二热能***90、92具有处于第二温度的热能供应94、96，并且与温跃层单元30成热交换关系。发电站***10不限于熔盐反应堆组件20作为唯一热能源。示意性示出了附加热能***90、92。第二热能***90、92可以与至少一个热交换流体供应70C、72C、74C成热交换关系。特别地，与对应相变热交换器70、72、74存在热交换关系，温跃层单元30的对应梯度区具有处于相应部分温度的相应熔盐部分。当相应部分温度低于第二温度时，第二热能***90、92将热能传递到热交换流体供应70C、72C、74C中，以供过程热力***80、82、84使用。第二热能***90、92独立于来自熔盐反应堆组件20的熔盐供应22。第二热能***90、92是从这些替代能源回收热能的替代实施例。从第二热能***90、92传递热能的其他连接也是可能的。
图1-5示出了作为风力发电机90和/或太阳能发电机92的第二热能***。发电站***10和这些替代能源具有特殊的兼容性。例如，对于太阳能发电机92，由于夜间存在不一致的阳光。夜间低水平的热能对过程热力***80、82、84没有用。然而，作为对本发明的发电站***10的贡献者，现在可以使用以前浪费的热能。类似地，当风没有吹动时，风力发电机90仍能够产生有用的热能，这些热能先前在对于过程热力***80、82、84没有转换的情况下被浪费掉了。
本发明包括将发电站***10用于热能的方法，特别是储存和转换来自IMSR的热能。图5示出了该方法的实施例。从熔盐反应堆组件20产生处于第一温度的熔盐供应22。熔盐反应堆组件20可以包括IMSR或其他盐反应堆。处于第一温度的熔盐供应22非常热，并通过熔盐出口24离开熔盐反应堆组件20。在一些实施例中，第一温度可以是约650℃。用过的熔盐通过盐返回管线26返回到熔盐反应堆组件20，用于回收熔盐。在离开熔盐反应堆组件20之后，熔盐供应22流向与熔盐反应堆组件20流体连接的温跃层单元30。流动步骤可以是泵送或运输熔盐的任何其他已知方法。可能存在自然循环力，甚至泵。该方法的温跃层单元30是图1-2的温跃层单元30，具有带有顶端34和底端36的绝热罐32、与熔盐反应堆组件20的熔盐出口24流体连接的初始入口38、从绝热罐32的顶端34布置到底端36的多个区出口40、42、44以及绝热罐32内的多个梯度区50、52、54。每个区出口40、42、44限定对应梯度区50、52、54，并且梯度区50、52、54堆叠在顶端34和底端36之间。在该温跃层单元30中，该方法包括将温跃层单元30的绝热罐32内的熔盐供应22分层，以形成多个熔盐部分60、62、64。每个熔盐部分60、62、64具有部分温度和对应梯度区50、52、54。
分层步骤在熔盐部分60、62、64之间产生多个热边界。这些热边界将熔盐部分60、62、64的层彼此隔离，就像常规的或者甚至是自然发生的温跃层湖在不同的水层处储存热能一样。在本发明中，该方法包括将熔盐供应22分层，包括由于混合物中不同的盐而按密度分层。一旦按密度分开，熔盐供应22也按温度分开，导致每个熔盐部分60、62、64处于相应部分温度。在一实施例中，对应梯度区中的熔盐部分的每个部分温度高于堆叠在对应梯度区下方的梯度区中的相应熔盐部分的相应部分温度。
该方法还包括使相应梯度区50、52、54中的熔盐部分60、62、64通过相应区出口40、42、44流到多个相变热交换器70、72、74。这些相变热交换器70、72、74是图1-2的相变热交换器。每个相变热交换器70、72、74与相邻的相变热交换器72、74、70和熔盐反应堆组件20流体连接(通过温跃层单元30)。熔盐供应22通过盐返回管线26从相变热交换器70、72、74再循环回到熔盐反应堆组件20。熔盐供应22可以通过已知的部件被重新加热，例如歧管和与核反应堆和核熔盐相互作用的其他热交换器。在本发明中，没有放射性或核盐用于离开熔盐反应堆组件20。
该方法的实施例还包括从多个相变热交换器70、72、74和熔盐部分60、62、64产生至少一个操作热能供应98、99。操作热能供应98、99是用于过程热力***80、82、84的可用热能供应。对于选定的过程热力***80、82、84，操作热能98、99比直接来自熔盐反应堆组件20的来自熔盐供应22的原始热能更有效。术语“操作”是指热能98、99比原始热能更有效且更相容。操作热能98、99的温度可以低于过程热力***80(如发电机)的熔盐供应22的第一温度。但对于需要过热或“封顶”热力***的其它过程热力***，操作热能98、99也可以处于比熔盐供应22的第一温度更高的温度。一些高温蒸汽电解(HTSE)可以使用过热的热交换流体供应。
该方法的实施例还包括将至少一个操作热能供应98、99输送到与对应相变热交换器70、72、74流体连接的至少一个过程热力***80、82、84。输送步骤类似于流动步骤。输送步骤包括从热交换流体供应70C、72C、74C传递热能的任何现有技术方法。例如，该活动可以将热交换流体供应70C、72C、74C泵送到发电机80，发电机80是蒸汽发生器以旋转涡轮机发电。每个相变热交换器70、72、74的热交换流体供应70C、72C、74C相对于熔盐供应22密封。熔盐供应22没有用于直接泵送到过程热力***80、82、84的流体连接。熔盐供应22更靠近核成分相互作用，并且没有超过相变热交换器70、72、74的循环回路。热交换流体供应70C、72C、74C可以进一步与由发电站***10控制的其他热交换器相互作用。例如，热交换流体供应72C可以将操作热能供应输送到作为过程热力***82的制氢***。热交换流体供应72C对于较低水平的温度仍可以具有有用的热能。因此，热交换流体供应72C也可以向作为过程热力***80的发电机的蒸汽发生器输送操作热能供应。该热交换流体供应72C被再循环回到相应的相变热交换器72，以被再充电用于输送另一操作热能供应的更多工作。
本发明的一替代实施例包括产生步骤，包括从多个相变热交换器70中的一个和对应熔盐部分60产生第一操作热能供应98，以及从多个相变热交换器72的另一个和另一对应熔盐部分62产生第二操作热能供应99。熔盐供应22可以具有比通过发电站***10可以形成的一个以上操作热能供应98、99的如此高热能。在该实施例中，输送步骤包括将第一操作热能供应98输送到与多个相变热交换器72中的一个流体连接的第一过程热力***82，并将第二操作热能供应99输送到与多个相变热交换器74中的另一个流体连接的第二过程热力***84。熔盐供应22的大容量和高温可以为一个以上过程热力***80、82、84供电，即使这些过程热力***80、82、84需要不同温度的不同熔盐部分60、62，以获得相对于熔盐供应22的原始热能更高的效率。
在另一替代实施例中，相变热交换器70、72、74是协作的。当一个过程热力***比如作为过程热力***72的制氢对热能的需求增加时，其他过程热力***70、74可以降低或者甚至停止提取它们相应的操作热能，使得更多热能可以专用于作为过程热力***72的制氢。在该方法的该实施例中，输送步骤包括将第一操作热能供应98输送到多个相变热交换器72中的另一个。然后，产生步骤包括从多个相变热交换器74中的另一个和另一对应熔盐部分64以及从第一操作热能供应98产生第二操作热能供应99。在该示例中，过程热力***82的热能可被重新引导至与相变热交换器74处的第二操作热能相关的制氢。
在又一替代实施例中，本发明的方法解决了作为熔盐反应堆组件20的来自IMSR的熔盐供应22的容量问题。在该方法中，使相应梯度区50、52、54中的熔盐部分60、62、64通过相应区出口40、42、44流到多个相变热交换器70、72、74的步骤以及从多个相变热交换器和熔盐部分产生至少一个操作热能供应98、99的步骤是连续的。发电站***10可以持续运行并且一直使熔盐供应22流动。没有增加，也没有等待热交换流体充电或冷却的时间。热应力较小，特别是与在较高温度下具有突然动态相变的现有技术的相变热交换器相比。本发明的具有发电站***10的方法具有储存热能的更大容量，熔盐部分在部分温度之间起作用并协作。在该实施例中，该方法还包括调节相应相变热交换器的流动步骤和产生步骤的速率。虽然速率可能会放缓，但速率不会停止。由于过程热力***的需求，一个速率可能会增加，而其他速率会减少。
在又一替代实施例中，本发明的方法与其他替代能源兼容。该方法可以包括供应以与相变热交换器70、72、74中的至少一个成热交换关系的处于第二温度的热能供应94、96的步骤。第二热能***90、92可以与具有温跃层单元30的对应梯度区50、52、54和处于相应部分温度的相应盐部分的对应热交换流体供应70C、72C、74C成热交换关系。根据与相变热交换器70、72、74相关的过程热力***80、82、84，热能供应94、96与对应热交换流体供应70C、72C、74C成热交换关系。例如，作为第二热能***92的太阳能电池板具有与相变热交换器70的热交换关系兼容的热能供应96。相变热交换器70具有热交换流体70C，其作为过程热力***80产生用于发电的操作热能。温度相对较低，并且热能供应96不能为制氢提供任何高温热量，这与用于作为过程热力***82的HTSE的相变热交换器72相关。热能供应96仍是有用的，并且结合到用于过程热力***80的发电站***10中，或者用作另一过程热力***82、84的封顶热量。对应于第二热能***92的相变热交换器70保持与温跃层单元30的相应梯度区50中的熔盐供应22的对应熔盐部分60流体连接。
该替代实施例解决了风力发电机90和太阳能发电机92的替代能源。使用发电站***10的方法解决了与典型的替代能源不一致的热能的特殊兼容性。已知的夜间或无风导致的热能下降降低了替代能源的可靠性。即使对环境更清洁，缺乏可靠性也阻碍了风能和太阳能广泛采用这些技术。这些下降期间的低水平热能对过程热力***80、82、84没有用。在本发明的方法中，这些低水平可以作为本发明的发电站***10的贡献者变得有用。以前浪费的热能现在可以一直用于过程热力***80、82、84。
本发明的发电站***容纳来自熔盐反应堆组件的热能容量，特别是具有整体熔盐反应堆(IMSR)的组件。这些反应堆在如此高的温度下产生如此大量的热能，以至于常规的热储存和热转换装置不能有效且高效地利用所产生的热能。本发明的发电站***包括温跃层单元，其具有多个区出口和多个梯度区，以在熔盐部分中有效地储存熔盐供应。因此，本发明具有温跃层的储存容量，而不降低热能的利用。储存在温跃层中的热能不再局限于常规温跃层中几乎无用的温差。当热能储存在本发明的发电站***中时，由IMSR产生的较高温度不再被浪费。
本发明还包括对应于每个梯度区和相应熔盐部分的相变热交换器。根据下游过程热力***的需求，现在可在不同热能水平下提供操作热能供应。来自具有IMSR的熔盐反应堆组件的熔盐供应的高热现在可以用于高热功能，如制氢，同时还被储存，并且还用于低热功能，如发电。热能浪费更少。
本发明的发电站***将热交换流体供应输送到过程热力***，用于操作热能供应。相对于直接从带有IMSR组件的熔盐供应的原始热能，操作热能供应更有效并且与过程热力***更兼容。把图钉压进软木塞板不需要大锤，即使大锤也能完成任务。同理，具有常规热储存和转换的熔盐供应就是大锤。本发明是将熔盐供应用于不同过程热力***的***和方法，即使这些过程热力***不需要高热量和大容量的熔盐供应。
此外，发电站***包括相互协作的相变热交换器和相应过程热力***。该特征允许熔盐供应用于单个过程热力***或多个过程热力***，即使这些过程热力***具有不同的热能需求。当对一个过程热力***有高需求时，例如对发电有高需求时，相变热交换器协作以将来自引导到对应于一个过程热力***的单个相变热交换器，熔盐供应的热能直接来自具有IMSR的组件。发电站***仍只能产生用于该过程热力***的操作热能供应，而不是一个以上操作热能供应。一个操作热能供应仍比直接从带有IMSR的组件供应的熔盐的原始热能更高效。
相变热交换器的协作也使发电站***能够连续运行。熔盐部分连续流过温跃层单元进入梯度区，使得发电站***响应特定过程热力***的即时能量需求。相变热交换器可被调节以将更多的热能引导至已经工作的期望的相变热交换器，而不是增加常规的热交换器升温以熔盐供应中收集更多的热能。发电站***的部件上的热应力降低。常规的热交换器不会被处于第一温度的熔盐供应反复冲击，并且在该常规的热交换器中没有热交换流体的冷却期。熔盐供应连续流过温跃层单元，在某些情况下，流过相变热交换器本身。
热能供应和热能需求有动态变化。热能供应可能会激增，比如太阳在太阳能电池板上的黎明。来自第二热能***的热能供应的该涌入现在可以结合到具有流动熔盐供应的稳定且连续的***中。热能供应的突然涌入不需要“加热”期或相变热交换器中的任何剧烈反应来突然改变相。热能供应现在可被结合，而不会对***的部件产生热应力。同样，热能需求可被满足。钢铁制造厂早上上线会突然抽大量电。本发电站***可以将热交换关系重新引导到作为过程热力***的发电机的操作热能供应，以解决作为过程热力***的发电机所需的操作热能供应的这种新的消耗，而不是需要相变热交换器的大而显著的增加。熔盐供应不必突然被泵送得更快或更危险。温度高于发电机所需温度的熔盐部分已经在温跃层单元中分层，用于可被引导至对应于发电机的相变热交换器的可用热能。热交换流体供应不必对相变热交换器的物理部件更猛烈或压力更大。热交换流体供应
根据热交换流体供应，来自具有IMSR的组件的熔盐可以通过温跃层单元循环到相变热交换器，然后在热能释放后通过返回管线循环回来。热能可以传递到相变热交换器中的单独热交换流体供应，以执行过程热力***的工作。没有核熔盐离开熔盐反应堆组件，但热能被安全且有效地传递到对应于过程热力***的热交换流体供应。从一个熔盐供应维持不同的操作热能供应。在到达过程热力***之前，可能还有附加热交换器。
本发明的前述公开和描述是说明性和解释性的。在不脱离本发明的真实精神的情况下，可以对所示结构、构造和方法的细节进行各种改变。

Claims (20)

1.一种发电站***10，包括：
熔盐反应堆组件20，其具有处于第一温度的熔盐供应22，并且包括熔盐出口24和盐返回管线26；
温跃层单元30，其与所述熔盐反应堆组件流体连接，
其中，所述温跃层单元包括：
具有顶端34和底端36的绝热罐32；
初始入口38，其与所述熔盐反应堆组件的所述熔盐出口流体连接；
多个区出口40、42、44，其从所述绝热罐的所述顶端布置到所述底端；以及
所述绝热罐内的多个梯度区50、52、54，每个区出口限定对应梯度区，所述梯度区堆叠在所述顶端和所述底端之间；
其中，每个梯度区具有处于部分温度的熔盐部分60、62、64；
多个相变热交换器70、72、74，每个相变热交换器与对应区出口和对应梯度区流体连接，
其中，每个相变热交换器与相邻的相变热交换器和所述熔盐反应堆组件流体连接，
其中，每个相变热交换器包括：
盐进口70A、72A、74A，其与对应区出口流体连接；
盐出口70B、72B、74B，其与所述熔盐反应堆组件的所述盐返回管线流体连接；以及
热交换流体供应70C、72C、74C，其与所述对应梯度区的对应熔盐部分成热交换关系，所述热交换流体供应与所述相邻的相变热交换器成流体连接；以及
多个过程热力***80、82、84，每个过程热力***与至少一个相变热交换器流体连接。
2.根据权利要求1所述的发电站***，其中，所述熔盐反应堆组件包括整体熔盐反应堆。
3.根据权利要求1所述的发电站***，其中，所述熔盐供应22包括多种载体盐。
4.根据权利要求3的发电站***，其中，所述载体盐选自硝酸盐、氯化物、氟化物、铍、钾和锆。
5.根据权利要求1所述的发电站***，其中，对应梯度区的每个部分温度高于堆叠在所述对应梯度区下方的相应梯度区的相应部分温度。
6.根据权利要求1所述的发电站***，其中，所述初始入口连接到所述绝热罐的所述顶端，以限定邻近所述绝热罐的所述顶端的顶部区出口和具有处于顶部部分温度的顶部熔盐部分的对应顶部梯度区，所述第一温度高于所述顶部部分温度。
7.根据权利要求1所述的发电站***，其中，所述热交换流体供应包括工作熔盐供应70D、72D、74D。
8.根据权利要求1所述的发电站***，其中，所述多个相变热交换器布置成围绕所述绝热罐170、172、174的阵列70、72、74和堆叠中的一个。
9.根据权利要求1所述的发电站***，其中，所述温跃层单元的所述绝热罐包括限定中心区域233的环形罐232，其中，所述多个相变热交换器270、272、274堆叠在所述环形罐的所述中心区域内。
10.根据权利要求1所述的发电站***，其中，所述多个过程热力***中的一过程热力***选自脱盐***84、制氢***82和发电***80。
11.根据权利要求1所述的发电站***，还包括：
第二热能***90、92，其具有处于第二温度的热能供应94、96，并且与至少一个热交换流体供应成热交换关系。
12.根据权利要求11所述的发电站***，其中，所述第二热能***与对应相变热交换器成热交换关系，所述第二热能***的所述对应相变热交换器与所述温跃层单元的具有处于相应部分温度的相应熔盐部分的对应梯度区流体连接，所述相应部分温度低于所述第二温度。
13.根据权利要求11所述的发电站***，其中，所述第二热能***选自风力发电机90和太阳能发电机92。
14.一种用于热能的方法，该方法包括以下步骤：
从包括熔盐出口24和盐返回管线26的熔盐反应堆组件20产生处于第一温度的熔盐供应22；
使所述熔盐供应流向与所述熔盐反应堆组件流体连接的温跃层单元30，
其中，所述温跃层单元包括：
具有顶端34和底端36的绝热罐32；
初始入口38，其与所述熔盐反应堆组件的所述熔盐出口流体连接；
多个区出口40、42、44，其从所述绝热罐的所述顶端布置到所述底端；以及
所述绝热罐内的多个梯度区50、52、54，每个区出口限定对应梯度区，所述梯度区从所述底端堆叠到所述顶端；
在所述温跃层单元内使所述熔盐供应22分层，以形成多个熔盐部分60、62、64，每个熔盐部分具有部分温度和对应梯度区，
其中，对应梯度区的每个部分温度高于堆叠在所述对应梯度区下方的相应梯度区的相应部分温度；
使相应梯度区中的所述熔盐部分通过相应区出口流到多个相变热交换器，
其中，每个相变热交换器与相邻的相变热交换器和所述熔盐反应堆组件流体连接；
从所述多个相变热交换器和所述熔盐部分产生至少一个操作热能供应98、99；以及
将所述至少一个操作热能供应98、99输送到与对应相变热交换器流体连接的至少一个过程热力***80、82、84。
15.根据权利要求14所述的用于热能的方法，其中，产生步骤包括：
从所述多个相变热交换器中的一个和对应熔盐部分产生第一操作热能供应；以及
从所述多个相变热交换器中的另一个和另一对应熔盐部分产生第二操作热能供应。
16.根据权利要求15所述的用于热能的方法，其中，输送步骤包括：
将所述第一操作热能供应输送到与所述多个相变热交换器中的所述一个流体连接的第一过程热力***；以及
将所述第二操作热能供应输送到与所述多个相变热交换器中的所述另一个流体连接的第二过程热力***。
17.根据权利要求15所述的用于热能的方法，其中，输送步骤包括：
将所述第一操作热能供应输送到所述多个相变热交换器中的所述另一个，并且
其中，产生步骤包括：
从所述多个相变热交换器中的另一个和另一对应熔盐部分以及从所述第一操作热能供应产生第二操作热能供应。
18.根据权利要求14所述的用于热能的方法，其中，使相应梯度区中的所述熔盐部分通过相应区出口流到多个相变热交换器的步骤和从所述多个相变热交换器和所述熔盐部分产生至少一个操作热能供应98、99的步骤是连续的，并且
其中，所述至少一个过程热力***调节流动步骤和产生步骤的相应速率。
19.根据权利要求14所述的热能方法，还包括以下步骤：
在第二温度下从第二热能***供应热能供应，
其中，所述第二热能供应与对应于所述第二温度的所述多个相变热交换器中的至少一个成热交换关系，所述第二热能供应与对应热交换流体供应成热交换关系。
20.根据权利要求19所述的用于热能的方法，其中，产生至少一个操作热能供应的步骤包括：
用所述对应热交换流体供应交换来自所述第二热能***的所述第二热能供应的热量。
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