CN114033519A - 一种核能驱动三级联合循环发电***及其工作方法 - Google Patents

一种核能驱动三级联合循环发电***及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核能驱动三级联合循环发电***及其工作方法，包括核反应堆单元、超临界二氧化碳发电单元、朗肯循环发电单元和有机朗肯循环发电单元；反应堆的气体出口与加热器热端入口连接，加热器热端出口与反应堆的气体入口连接；加热器的二氧化碳出口依次连接二氧化碳透平、朗肯循环加热器的热端、第一有机工质加热器的热端、冷却器热端和加热器的二氧化碳入口；朗肯循环加热器的冷端连接朗肯循环发电单元输入热源端，第一有机工质加热器的冷端连接有机朗肯循环发电单元输入热源端。提出核能驱动的超临界二氧化碳循环与朗肯循环、有机朗肯循环构建的三级联合循环发电***，有效提高核电站发电效率。

Description

一种核能驱动三级联合循环发电***及其工作方法
技术领域
本发明属于核能发电领域，涉及一种核能驱动三级联合循环发电***及其工作方法。
背景技术
高温气冷堆(High Temperature Gas Cooled Reactor/HTGR)是一种石墨慢化氦气冷却的反应堆。高温气冷堆属于***核电技术，是具有固有安全性的先进堆型，在发电、供热、制氢、海水淡化等领域有广阔的应用前景。
由于高温气冷堆能产生更高参数的蒸汽，常规岛热力循环需进行与之匹配的改进以提升发电效率。但目前主要是通过汽轮机单循环的形式，发电效率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种核能驱动三级联合循环发电***及其工作方法，提出核能驱动的超临界二氧化碳循环与朗肯循环、有机朗肯循环构建的三级联合循环发电***，有效提高核电站发电效率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种核能驱动三级联合循环发电***，包括核反应堆单元、超临界二氧化碳发电单元、朗肯循环发电单元和有机朗肯循环发电单元；
核反应堆单元包括反应堆和加热器，反应堆的气体出口与加热器热端入口连接，加热器热端出口与反应堆的气体入口连接；
超临界二氧化碳发电单元包括二氧化碳透平、朗肯循环加热器、第一有机工质加热器和冷却器，加热器的二氧化碳出口依次连接二氧化碳透平、朗肯循环加热器的热端、第一有机工质加热器的热端、冷却器热端和加热器的二氧化碳入口；朗肯循环加热器的冷端连接朗肯循环发电单元输入热源端，第一有机工质加热器的冷端连接有机朗肯循环发电单元输入热源端。
优选的，冷却器热端和加热器的冷端入口之间设置有二氧化碳增压泵。
进一步，冷却器热端和加热器的冷端入口之间设置有预热器，冷却器热端和加热器的冷端入口分别连接预热器的冷端入口和冷端出口。
再进一步，朗肯循环发电单元包括汽轮机和冷凝器，汽轮机的入口连接朗肯循环加热器冷端出口，汽轮机的出口连接冷凝器入口，冷凝器的出口连接朗肯循环加热器冷端入口。
进一步，汽轮机的出口与预热器的热端入口相连，预热器的热端出口与冷凝器的入口相连。
进一步，冷凝器的出口连接朗肯循环加热器冷端之间设置有循环泵。
进一步，有机朗肯循环发电单元包括膨胀机、凝汽器和储罐，第一有机工质加热器的有机工质出口与膨胀机的入口相连，膨胀机的有机工质出口连接凝汽器的有机工质入口，凝汽器的有机工质出口连接储罐的有机工质入口，储罐的有机工质出口连接有机工质加热器的有机工质入口。
再进一步，汽轮机的出口与冷凝器入口之间设置有第二有机工质加热器，汽轮机的出口与第二有机工质加热器的热端入口相连，第二有机工质加热器的热端出口与预热器的热端入口相连，第二有机工质加热器的有机工质出口与膨胀机的入口相连，储罐的有机工质出口连接第二有机工质加热器的有机工质入口。
一种基于上述任意一项所述核能驱动三级联合循环发电***的工作方法，包括以下过程：
从反应堆出来的高温氦气进入加热器热端，将加热器二氧化碳端的超临界二氧化碳加热，然后超临界二氧化碳进入二氧化碳透平做功发电，出口超临界二氧化碳进入朗肯循环加热器加热朗肯循环发电单元的工质，然后进入第一有机工质加热器，作为有机朗肯循环发电单元的驱动热源，随后超临界二氧化碳工质进入冷却器中冷凝，然后进入加热器的二氧化碳端继续循环。
优选的，二氧化碳透平出口的超临界二氧化碳进入朗肯循环加热器热端加热朗肯循环的工质水，工质水进入汽轮机做功发电，汽轮机的排汽作为有机朗肯循环发电单元的热源，随后对预热器冷端中的超临界二氧化碳进行预热，随后进入冷凝器冷凝，然后再循环泵中升压输送至朗肯循环加热器冷端中继续循环；
有机工质在第一有机工质加热器冷端和第二有机工质加热器冷端中被加热并输送至膨胀机中进行发电，发电后的有机工质通过凝汽器后进入储罐，从储罐中出来的有机工质进入第一有机工质加热器冷端和第二有机工质加热器冷端中重新循环。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出核能驱动的超临界二氧化碳循环与朗肯循环、有机朗肯循环构建的三级联合循环发电***，有效提高核电站发电效率；超临界二氧化碳密度接近于液体，临界点附近二氧化碳的压缩因子只有0.2-0.5，实际压缩功大大减小，减少了能耗；有效利用超临界二氧化碳布雷顿循环的排汽余热，依次作为朗肯循环和有机朗肯循环的热源，提高能量利用效率。
进一步，朗肯循环采用背压式汽轮机，排汽余热先作为有机朗肯循环的热源，然后为超临界二氧化碳循环预热器提供热源，提高能量利用效率。
进一步，有机朗肯循环采用背压式汽轮机排汽和超临界二氧化碳循环排汽双热源驱动，能有效提高有机朗肯循环发电功率。
附图说明
图1为本发明的***结构示意图。
其中：1-反应堆；2-加热器；3-二氧化碳透平；4-朗肯循环加热器；5-第一有机工质加热器；6-冷却器；7-二氧化碳增压泵；8-预热器；9-汽轮机；10-第二有机工质加热器；11-冷凝器；12-循环泵；13-膨胀机；14-凝汽器；15-储罐；16-有机工质泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，为本发明所述的核能驱动三级联合循环发电***与装置，包括核反应堆单元、超临界二氧化碳发电单元、朗肯循环发电单元、有机朗肯循环发电单元。
核反应堆单元：从反应堆1出来的高温氦气进入加热器2，对超临界二氧化碳进行加热，将核能转化为高温热能，然后将超临界二氧化碳工质输送给超临界二氧化碳发电单元。
超临界二氧化碳发电单元用于将核反应堆单元的高温热能加热工质超临界二氧化碳，通过透平与发电机组将接收的热能转化为电能并输出。超临界二氧化碳发电单元包括：二氧化碳透平3、朗肯循环加热器4、第一有机工质加热器5、冷却器6、二氧化碳增压泵7、预热器8。
加热器2的二氧化碳出口与二氧化碳透平3的入口相连，二氧化碳透平3的出口与朗肯循环加热器4的热端入口相连，朗肯循环加热器4的热端出口与第一有机工质加热器5的热端入口相连，第一有机工质加热器5的热端出口与冷却器6的入口相连，冷却器6的出口与二氧化碳增压泵7的入口相连，二氧化碳增压泵7的出口与预热器8的二氧化碳入口相连，预热器8的二氧化碳出口与加热器2的二氧化碳入口相连。
朗肯循环发电单元包括：汽轮机9、第二有机工质加热器10、冷凝器11、循环泵12。汽轮机9采用背压式汽轮机，朗肯循环加热器4的水出口与汽轮机99的入口相连，汽轮机9的出口与第二有机工质加热器10的热端入口相连，第二有机工质加热器10的热端出口与预热器8的热端入口相连，预热器8的热端出口与冷凝器11的入口相连，冷凝器11的出口与循环泵12的入口相连，循环泵12的出口与朗肯循环加热器4的水入口相连。
有机朗肯循环发电单元包括：膨胀机13、凝汽器14、储罐15、有机工质泵16。第一有机工质加热器5和第二有机工质加热器10的有机工质出口分别与膨胀机13的入口相连，膨胀机13的有机工质出口连接凝汽器14的有机工质入口，凝汽器14的有机工质出口连接储罐15的有机工质入口，储罐15的有机工质出口连接有机工质泵16的有机工质入口，有机工质泵16的有机工质出口分别连接第一有机工质加热器5和第二有机工质加热器10的有机工质入口。
本发明所述核能驱动三级联合循环发电***的工作过程为：
从反应堆1出来的高温氦气进入加热器2热端，超临界二氧化碳工质进入加热器2二氧化碳端被氦气加热，然后高温高压工质超临界二氧化碳进入二氧化碳透平3做功发电，出口超临界二氧化碳进入朗肯循环加热器4加热朗肯循环的工质水，然后进入第一有机工质加热器5，作为有机朗肯循环发电单元的驱动热源，随后超临界二氧化碳工质进入冷却器6中冷凝，然后在二氧化碳增压泵7中被加压，出口的二氧化碳在预热器8中被朗肯循环发电单元的排汽预热，然后进入加热器2继续循环。
朗肯循环发电单元以超临界二氧化碳发电单元的二氧化碳透平排汽为热源，被二氧化碳透平排汽加热的工质水进入汽轮机9做功发电，汽轮机9的排汽作为有机朗肯循环发电单元的热源，随后对超临界二氧化碳发电单元中预热器8冷端中的超临界二氧化碳进行预热，随后进入冷凝器冷凝，然后再循环泵中升压。
有机工质在第一有机工质加热器5冷端和第二有机工质加热器10冷端中被加热并输送至膨胀机13中进行发电，发电后的有机工质通过凝汽器14后进入储罐15，从储罐15中出来的有机工质进入第一有机工质加热器5冷端和第二有机工质加热器10冷端中重新循环。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种核能驱动三级联合循环发电***，其特征在于，包括核反应堆单元、超临界二氧化碳发电单元、朗肯循环发电单元和有机朗肯循环发电单元；
核反应堆单元包括反应堆(1)和加热器(2)，反应堆(1)的气体出口与加热器(2)热端入口连接，加热器(2)热端出口与反应堆(1)的气体入口连接；
超临界二氧化碳发电单元包括二氧化碳透平(3)、朗肯循环加热器(4)、第一有机工质加热器(5)和冷却器(6)，加热器(2)的二氧化碳出口依次连接二氧化碳透平(3)、朗肯循环加热器(4)的热端、第一有机工质加热器(5)的热端、冷却器(6)热端和加热器(2)的二氧化碳入口；朗肯循环加热器(4)的冷端连接朗肯循环发电单元输入热源端，第一有机工质加热器(5)的冷端连接有机朗肯循环发电单元输入热源端。
2.根据权利要求1所述的核能驱动三级联合循环发电***，其特征在于，冷却器(6)热端和加热器(2)的冷端入口之间设置有二氧化碳增压泵(7)。
3.根据权利要求2所述的核能驱动三级联合循环发电***，其特征在于，冷却器(6)热端和加热器(2)的冷端入口之间设置有预热器(8)，冷却器(6)热端和加热器(2)的冷端入口分别连接预热器(8)的冷端入口和冷端出口。
4.根据权利要求3所述的核能驱动三级联合循环发电***，其特征在于，朗肯循环发电单元包括汽轮机(9)和冷凝器(11)，汽轮机(9)的入口连接朗肯循环加热器(4)冷端出口，汽轮机(9)的出口连接冷凝器(11)入口，冷凝器(11)的出口连接朗肯循环加热器(4)冷端入口。
5.根据权利要求4所述的核能驱动三级联合循环发电***，其特征在于，汽轮机(9)的出口与预热器(8)的热端入口相连，预热器(8)的热端出口与冷凝器(11)的入口相连。
6.根据权利要求4所述的核能驱动三级联合循环发电***，其特征在于，冷凝器(11)的出口连接朗肯循环加热器(4)冷端之间设置有循环泵(12)。
7.根据权利要求4所述的核能驱动三级联合循环发电***，其特征在于，有机朗肯循环发电单元包括膨胀机(13)、凝汽器(14)和储罐(15)，第一有机工质加热器(5)的有机工质出口与膨胀机(13)的入口相连，膨胀机(13)的有机工质出口连接凝汽器(14)的有机工质入口，凝汽器(14)的有机工质出口连接储罐(15)的有机工质入口，储罐(15)的有机工质出口连接有机工质加热器(5)的有机工质入口。
8.根据权利要求7所述的核能驱动三级联合循环发电***，其特征在于，汽轮机(9)的出口与冷凝器(11)入口之间设置有第二有机工质加热器(10)，汽轮机(9)的出口与第二有机工质加热器(10)的热端入口相连，第二有机工质加热器(10)的热端出口与预热器(8)的热端入口相连，第二有机工质加热器(10)的有机工质出口与膨胀机(13)的入口相连，储罐(15)的有机工质出口连接第二有机工质加热器(10)的有机工质入口。
9.一种基于权利要求1-8任意一项所述核能驱动三级联合循环发电***的工作方法，其特征在于，包括以下过程：
从反应堆(1)出来的高温氦气进入加热器(2)热端，将加热器(2)二氧化碳端的超临界二氧化碳加热，然后超临界二氧化碳进入二氧化碳透平(3)做功发电，出口超临界二氧化碳进入朗肯循环加热器(4)加热朗肯循环发电单元的工质，然后进入第一有机工质加热器(5)，作为有机朗肯循环发电单元的驱动热源，随后超临界二氧化碳工质进入冷却器(6)中冷凝，然后进入加热器(2)的二氧化碳端继续循环。
10.根据权利要求9所述核能驱动三级联合循环发电***的工作方法，其特征在于，二氧化碳透平(3)出口的超临界二氧化碳进入朗肯循环加热器(4)热端加热朗肯循环的工质水，工质水进入汽轮机(9)做功发电，汽轮机(9)的排汽作为有机朗肯循环发电单元的热源，随后对预热器(8)冷端中的超临界二氧化碳进行预热，随后进入冷凝器(11)冷凝，然后再循环泵(12)中升压输送至朗肯循环加热器(4)冷端中继续循环；
有机工质在第一有机工质加热器(5)冷端和第二有机工质加热器(10)冷端中被加热并输送至膨胀机(13)中进行发电，发电后的有机工质通过凝汽器(14)后进入储罐(15)，从储罐(15)中出来的有机工质进入第一有机工质加热器(5)冷端和第二有机工质加热器(10)冷端中重新循环。
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CN118039213A (zh) * 2024-04-15 2024-05-14 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于聚变堆的联合动力循环***及其方法

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