CN114687824B - 适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***及方法 - Google Patents

适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***及方法，该***包含池式结构的氟盐冷却高温堆以及高温再热与高低温换热器串联的超临界二氧化碳能量转换***，利用池式结构的空间特点，布置多级加热器和再热器在氟盐堆内，高度匹配该高温热源的温度区间，实现熔盐热量的充分利用，提高循环效率；还可以通过改变二氧化碳侧流量实现对氟盐温度的智能控制，大大降低堆侧调控难度。本发明***及方法，有助于推动我国小型化新型能量转换***的发展。

Description

适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***及方法
技术领域
本发明属于新型能量转换***设计领域，具体涉及适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***及方法。
背景技术
氟盐冷却高温堆具有高温低压运行、无水冷却、固有安全、结构紧凑等特点，适合建成体积小、轻量化、低成本的模块化热源，用于高效发电及其他高温工艺，满足我国西部干旱偏远地区多用途、多层次能源供给的需求。而超临界二氧化碳循环因其效率高，紧凑性好，适用性广，环境友好等优点成为极具潜力的新型能量转换***，可以耦合光热、核反应堆、化石燃料等多种热源，能够在复杂环境和场景下实现高效能量转换。
氟盐冷却高温堆和超临界二氧化碳能量转换***特点契合，但目前针对这二者的研究都相对独立，氟盐冷却高温堆耦合超临界二氧化碳能量转换***以及通过调整二氧化碳侧去调控堆侧温度方面的研究还尚处于空白。
发明内容
为了克服上述现有研究的空缺，本发明的目的在于提供适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***及方法，该***以包含池式结构的氟盐冷却高温堆作为循环***的热源，利用池式结构的空间特点，布置多级加热器和再热器在氟盐堆内，高度匹配该高温热源的温度区间，实现熔盐热量的充分利用，提高循环效率；另外，通过调整分流阀开度改变进入不同换热器的二氧化碳侧流量实现对氟盐温度的智能控制，大大降低了回流温度的控制难度。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***，包括池式结构的氟盐冷却高温堆以及高温再热与高低温换热器串联的超临界二氧化碳能量转换***，利用池式结构的空间特点，将多个换热器即高温加热器1-2、再热器1-3和低温加热器1-4布置在氟盐冷却高温堆内以实现熔盐热量的充分利用，同时通过调节分流阀16的开度实现对熔盐回流温度的适度控制，保证氟盐冷却高温堆本体的安全稳定；
所述池式结构的氟盐冷却高温堆包括氟盐冷却高温堆堆芯1-1，高温加热器 1-2、再热器1-3和低温加热器1-4；
所述高温再热与高低温换热器串联的超临界二氧化碳能量转换***包括依次相连的预冷器8、第一级主压缩机10、级间冷却器9、第二级主压缩机12、低温回热器7、中温回热器6、高温回热器5、高温高压透平15、高温低压透平14；还包括低温透平13和再压缩机11；
所述对熔盐回流温度的适度调控运行方式：调整分流阀16开度能够改变进入高温回热器5冷侧和低温加热器1-4冷侧的二氧化碳流量比例，进入高温回热器5的二氧化碳依次通过高温加热器1-2、高温高压透平15和再热器1-3，因此通过调整分流阀16开度能够改变进入低温加热器1-4、高温加热器1-2和再热器 1-3的二氧化碳流量比例，实现氟盐出口温度的调控；当进入低温加热器1-4的流量更大时，氟盐出口温度会升高，当进去高温加热器1-2和再热器1-3的流量更大时，氟盐出口温度会降低。
所述氟盐冷却高温堆堆芯1-1工质入口与多个换热器热侧工质出口相连通，氟盐冷却高温堆堆芯1-1工质出口与多个换热器热侧工质入口相连通，高温加热器1-2冷侧工质出口与高温高压透平15入口相连通，高温加热器1-2热侧工质出口与再热器1-3热侧工质入口相连通，再热器1-3热侧工质出口与低温加热器 1-4热侧工质入口相连通；低温加热器1-4冷侧工质出口与低温透平13入口相连，再热器1-3冷侧工质出口与高温低压透平14入口相连，再热器1-3冷侧工质入口与高温高压透平15出口相连通；
高温回热器5冷侧工质出口与高温加热器1-2冷侧工质入口相连，高温回热器5热侧工质入口与高温低压透平14出口相连；
中温回热器6冷侧工质入口同时与再压缩机11出口和低温回热器7冷侧工质出口相连通；中温回热器6冷侧工质出口同时与高温回热器5冷侧工质入口和低温加热器1-4冷侧工质入口相连通，中温回热器6热侧工质入口同时与高温回热器5热侧工质出口和低温透平13出口相连通，中温回热器6热侧工质出口与低温回热器7热侧工质入口相连通；
低温回热器7热侧工质出口同时与预冷器8热侧工质入口和再压缩机11入口相连，低温回热器7冷侧工质入口与第二级主压缩机12出口相连通；
预冷器8热侧工质出口与第一级主压缩机10入口相连通，级间冷却器9热侧工质入口与第一级主压缩机10出口相连通，级间冷却器9热侧工质出口与第二级主压缩机12入口相连通。
所述氟盐冷却高温堆堆芯1-1出口温度为700℃，氟盐冷却高温堆堆芯1-1 入口温度为600℃。
所述预冷器8热侧工质出口温度为32℃-35℃，采用风冷的方式以适应干旱地区。
所述***使用的工质为超临界二氧化碳和氟盐。
所述的适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***的运行方法，超临界二氧化碳在第一级主压缩机10中升压，级间冷却器9中冷却，第二级主压缩机12中再次升压后，依次在低温回热器7、中温回热器6中吸热后分流，一股进入高温回热器5、高温加热器1-2中吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入高温高压透平15膨胀做功，高温高压透平15排气经再热器1-3 再次加热，进入高温低压透平14膨胀做功，高温低压透平14排气在高温回热器 5放热；另一股在低温加热器1-4中吸热，进入低温透平13膨胀做功，低温透平 13排气在中温回热器6热侧入口处同上述高温回热器5中的工质合流，依次在中温回热器6、低温回热器7中放热后分流，一股经再压缩机11升压后汇入中温回热器6冷侧工质入口，另一股在预冷器8中冷却后进入第一级主压缩机10，完成闭合循环。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)该***采用池式结构的氟盐冷却高温堆为热源，利用池式结构的空间特点，布置多级加热器和再热器在氟盐堆内，高度匹配该高温热源的温度区间，实现熔盐热量的充分利用，提高循环效率。
2)所述超临界二氧化碳循环***的热端构型为高温再热与高低温换热器串联，冷端构型为再压缩级间冷却，通过再热和合理分流充分利用不同温度梯度下氟盐的热量，提高循环效率。
3)所述调控氟盐温度的运行方法是通过改变分流阀16开度改变进入高温加热器1-2和再热器1-3与低温加热器1-4的比例，实现氟盐出口温度的调控；当进入低温加热器1-4的流量更大时，氟盐出口温度会升高，当进去高温加热器1-2 和再热器1-3的流量更大时，氟盐出口温度会降低。
4)本发明采用小型氟盐冷却高温堆作为超临界二氧化碳布雷顿循环的热源，将二者结构紧凑、安全可靠的优点巧妙结合实现新型能量转换***的小型化、模块化。
5)本发明采用高温再热与高温换热器串联的再压缩级间冷却超临界二氧化碳动力循环构型，***循环效率较高，同时可以通过改变二氧化碳侧流量实现对氟盐温度的控制，大大降低堆侧调控难度。
6)本发明采用风冷预冷器，以实现在干旱缺水地区的大规模应用。
附图说明
图1为本发明的耦合小型氟盐冷却高温堆的超临界二氧化碳能量转换***示意图。
图中：1-1为小型氟盐冷却高温堆、1-2为高温加热器、1-3为低温加热器、 1-4为再热器、5为高温回热器、6为中温回热器、7为低温回热器、8为预冷器、 9为级间冷却器、10为第一级主压缩机、11为再压缩机、12为第二级主压缩机、 13为低温透平、14为高温低压透平、15为高温高压透平。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***，包括池式结构的氟盐冷却高温堆以及高温再热与高低温换热器串联的超临界二氧化碳能量转换***，利用池式结构的空间特点，将多个换热器即高温加热器1-2、再热器1-3和低温加热器1-4布置在氟盐冷却高温堆内以实现熔盐热量的充分利用，提高循环效率的同时结构更加紧凑；另外，通过调节分流阀16的开度实现对熔盐回流温度的适度控制，保证氟盐冷却高温堆本体的安全稳定。
所述池式结构的氟盐冷却高温堆包括氟盐冷却高温堆堆芯1-1，高温加热器 1-2、再热器1-3和低温加热器1-4；所述高温再热与高低温换热器串联的超临界二氧化碳能量转换***包括依次相连的预冷器8、第一级主压缩机10、级间冷却器9、第二级主压缩机12、低温回热器7、中温回热器6、高温回热器5、高温高压透平15、高温低压透平14；还包括低温透平13和再压缩机11。
所述对熔盐回流温度的适度调控运行方式：调整分流阀16开度能够改变进入高温回热器5冷侧和低温加热器1-4冷侧的二氧化碳流量比例，进入高温回热器5的二氧化碳依次通过高温加热器1-2、高温高压透平15和再热器1-3，因此通过调整分流阀16开度能够改变进入低温加热器1-4、高温加热器1-2和再热器 1-3的二氧化碳流量比例，实现氟盐出口温度的调控，避免了堆侧的复杂控制；当进入低温加热器1-4的流量更大时，氟盐出口温度会升高，当进去高温加热器 1-2和再热器1-3的流量更大时，氟盐出口温度会降低。
***各部件间的连接关系为：氟盐冷却高温堆堆芯1-1工质入口与多个换热器热侧工质出口相连通，氟盐冷却高温堆堆芯1-1工质出口与多个换热器热侧工质入口相连通，高温加热器1-2冷侧工质出口与高温高压透平15入口相连通，高温加热器1-2热侧工质出口与再热器1-3热侧工质入口相连通，再热器1-3热侧工质出口与低温加热器1-4热侧工质入口相连通；低温加热器1-4冷侧工质出口与低温透平13入口相连，再热器1-3冷侧工质出口与高温低压透平14入口相连，再热器1-3冷侧工质入口与高温高压透平15出口相连通；高温回热器5冷侧工质出口与高温加热器1-2冷侧工质入口相连，高温回热器5热侧工质入口与高温低压透平14出口相连；中温回热器6冷侧工质入口同时与再压缩机11出口和低温回热器7冷侧工质出口相连通；中温回热器6冷侧工质出口同时与高温回热器5冷侧工质入口和低温加热器1-4冷侧工质入口相连通，中温回热器6热侧工质入口同时与高温回热器5热侧工质出口和低温透平13出口相连通，中温回热器6热侧工质出口与低温回热器7热侧工质入口相连通；低温回热器7热侧工质出口同时与预冷器8热侧工质入口和再压缩机11入口相连通，低温回热器7 冷侧工质入口与第二级主压缩机12出口相连通；预冷器8热侧工质出口与第一级主压缩机10入口相连通，级间冷却器9热侧工质入口与第一级主压缩机10出口相连通，级间冷却器9热侧工质出口与第二级主压缩机12入口相连通。
所述***使用的工质为超临界二氧化碳和氟盐。
作为本发明的优选实施方式，所述氟盐冷却高温堆堆芯1-1出口温度为 700℃，氟盐冷却高温堆堆芯1-1入口温度为600℃。
作为本发明的优选实施方式，所述预冷器8热侧工质出口温度为32℃-35℃，采用风冷的方式以适应干旱地区。
如图1所示，本发明所述的适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***的运行方法，超临界二氧化碳在第一级主压缩机10中升压，级间冷却器9 中冷却，降低压缩机耗功，在第二级主压缩机12中再次升压后，依次在低温回热器7、中温回热器6中吸热后分流，一股进入高温回热器5、高温加热器1-2 中吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入高温高压透平15 膨胀做功，高温高压透平15排气经再热器1-3再次加热，充分利用氟盐热量，进入高温低压透平14膨胀做功，高温低压透平14排气在高温回热器5放热；另一股在低温加热器1-4中吸热，进入低温透平13膨胀做功，低温透平13排气在中温回热器6热侧入口处同上述高温回热器5中的工质合流，依次在中温回热器 6、低温回热器7中放热后分流，一股经再压缩机11升压后汇入中温回热器6冷侧工质入口，另一股在预冷器8中冷却后进入第一级主压缩机10，完成闭合循环。

Claims (6)

1.适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***，其特征在于，包括池式结构的氟盐冷却高温堆以及高温再热与高低温换热器串联的超临界二氧化碳能量转换***，利用池式结构的空间特点，将多个换热器即高温加热器(1-2)、再热器(1-3)和低温加热器(1-4)布置在氟盐冷却高温堆内以实现熔盐热量的充分利用，同时通过调节分流阀(16)的开度实现对熔盐回流温度的适度控制，保证氟盐冷却高温堆本体的安全稳定；
所述池式结构的氟盐冷却高温堆包括氟盐冷却高温堆堆芯(1-1)，高温加热器(1-2)、再热器(1-3)和低温加热器(1-4)；
所述高温再热与高低温换热器串联的超临界二氧化碳能量转换***包括依次相连的预冷器(8)、第一级主压缩机(10)、级间冷却器(9)、第二级主压缩机(12)、低温回热器(7)、中温回热器(6)、高温回热器(5)、高温高压透平(15)、高温低压透平(14)；还包括低温透平(13)和再压缩机(11)；
所述对熔盐回流温度的适度调控运行方式：调整分流阀(16)开度能够改变进入高温回热器(5)冷侧和低温加热器(1-4)冷侧的二氧化碳流量比例，进入高温回热器(5)的二氧化碳依次通过高温加热器(1-2)、高温高压透平(15)和再热器(1-3)，因此通过调整分流阀(16)开度能够改变进入低温加热器(1-4)、高温加热器(1-2)和再热器(1-3)的二氧化碳流量比例，实现氟盐出口温度的调控；当进入低温加热器(1-4)的流量更大时，氟盐出口温度会升高，当进去高温加热器(1-2)和再热器(1-3)的流量更大时，氟盐出口温度会降低。
2.根据权利要求1所述的适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***，其特征在于：所述氟盐冷却高温堆堆芯(1-1)工质入口与多个换热器热侧工质出口相连通，氟盐冷却高温堆堆芯(1-1)工质出口与多个换热器热侧工质入口相连通，高温加热器(1-2)冷侧工质出口与高温高压透平(15)入口相连通，高温加热器(1-2)热侧工质出口与再热器(1-3)热侧工质入口相连通，再热器(1-3)热侧工质出口与低温加热器(1-4)热侧工质入口相连通；低温加热器(1-4)冷侧工质出口与低温透平(13)入口相连，再热器(1-3)冷侧工质出口与高温低压透平(14)入口相连，再热器(1-3)冷侧工质入口与高温高压透平(15)出口相连通；
高温回热器(5)冷侧工质出口与高温加热器(1-2)冷侧工质入口相连，高温回热器(5)热侧工质入口与高温低压透平(14)出口相连；
中温回热器(6)冷侧工质入口同时与再压缩机(11)出口和低温回热器(7)冷侧工质出口相连通；中温回热器(6)冷侧工质出口同时与高温回热器(5)冷侧工质入口和低温加热器(1-4)冷侧工质入口相连通，中温回热器(6)热侧工质入口同时与高温回热器(5)热侧工质出口和低温透平(13)出口相连通，中温回热器(6)热侧工质出口与低温回热器(7)热侧工质入口相连通；
低温回热器(7)热侧工质出口同时与预冷器(8)热侧工质入口和再压缩机(11)入口相连，低温回热器(7)冷侧工质入口与第二级主压缩机(12)出口相连通；
预冷器(8)热侧工质出口与第一级主压缩机(10)入口相连通，级间冷却器(9)热侧工质入口与第一级主压缩机(10)出口相连通，级间冷却器(9)热侧工质出口与第二级主压缩机(12)入口相连通。
3.根据权利要求1所述的适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***，其特征在于：所述氟盐冷却高温堆堆芯(1-1)出口温度为700℃，氟盐冷却高温堆堆芯(1-1)入口温度为600℃。
4.根据权利要求1所述的适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***，其特征在于：所述预冷器(8)热侧工质出口温度为32℃-35℃，采用风冷的方式以适应干旱地区。
5.根据权利要求1所述的适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***，其特征在于：所述***使用的工质为超临界二氧化碳和氟盐。
6.权利要求1至5任一项所述的适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环***的运行方法，其特征在于：超临界二氧化碳在第一级主压缩机(10)中升压，级间冷却器(9)中冷却，第二级主压缩机(12)中再次升压后，依次在低温回热器(7)、中温回热器(6)中吸热后分流，一股进入高温回热器(5)、高温加热器(1-2)中吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入高温高压透平(15)膨胀做功，高温高压透平(15)排气经再热器(1-3)再次加热，进入高温低压透平(14)膨胀做功，高温低压透平(14)排气在高温回热器(5)放热；另一股在低温加热器(1-4)中吸热，进入低温透平(13)膨胀做功，低温透平(13)排气在中温回热器(6)热侧入口处同上述高温回热器(5)中的工质合流，依次在中温回热器(6)、低温回热器(7)中放热后分流，一股经再压缩机(11)升压后汇入中温回热器(6)冷侧工质入口，另一股在预冷器(8)中冷却后进入第一级主压缩机(10)，完成闭合循环。
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