CN209800038U - 一种s-co2循环与orc循环结合的核能发电*** - Google Patents

Abstract

一种S‑CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***，包括热源回路、S‑CO₂循环回路和ORC回路，核电厂一回路作为热源回路，热量分别通过高温换热器和低温换热器传递给S‑CO₂循环回路和ORC回路，S‑CO₂循环回路的冷源可作为ORC回路的低温热源来实现热能的梯级利用。S‑CO₂循环回路采用预压缩和分流再压缩相结合的方式，可有效提高循环的热效率和净输出功。

Description

一种S-CO2循环与ORC循环结合的核能发电***

技术领域

本发明涉及核能发电***，特别是一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***及热能循环方法。

背景技术

当今社会，人类的发展面临着两个重大问题：能源与环境，开发新型能源迫在眉睫，各种能源的优化利用也成为了各专家学者的重点研究课题，而新型清洁能源则是资源开发中的重中之重。核能作为一种新型能源，凭借其清洁无污染等特点成为了重点开发的资源，虽然由于核辐射以及核泄漏等原因，如今核能的研究重点依旧在核反应堆以及一回路的研究上，但是有关于二回路发电效率的研究比较少。

现今，超临界CO₂布雷顿循环在核能发电的利用上较为常见，但是一回路的高温热能经由高温换热器与CO₂换热后依旧有较高温度，故而可将超临界CO₂布雷顿循环与有机朗肯循环结合进行发电。然而，超临界CO₂在经过低温回热器后要进行冷却，这部分热量将由冷却介质带走从而导致这部分热量未能被较好的利用，产生了热量损失，因此可考虑将其作为有机朗肯循环的预热器来使用，从而减小能量损失，提高能量利用效率。

现有技术中心，也有将分流再压缩布雷顿循环与朗肯循环相结合用于核电站的二回路进行发电，分流再压缩布雷顿循环仅仅具有较高的循环热效率，但是其循环的输出功并不高，因此对热能的利用率不高。

而预压缩具有更高的输出功率，二者结合可以使循环在具有较好的循环热效率的同时保证较高的输出功。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***及热能循环方法，能够有效利用***中换热热量，提高循环热效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***，包括热源回路、S-CO₂循环回路和ORC回路；

所述的热源回路包括高温换热器、低温换热器和冷却剂泵，高温换热器的第一进口与核反应堆连接，高温换热器的第一出口与低温换热器的第一进口连接，低温换热器的第一出口与冷却剂泵的进口连接；

所述的S-CO₂循环回路包括高温换热器、高温回热器、低温回热器、冷却器、压缩机、再压缩机、预压缩机、透平，高温换热器第二进口与高温回热器的第一出口连接，高温换热器的第二出口与透平的进口连接，高温回热器的第一进口与低温回热器的第二出口相连，高温回热器的第二进口与透平的出口相连，高温回热器的第二出口与预压缩机的进口相连，预压缩机的出口与低温回热器的第一进口相连，低温回热器的第一出口与冷却器的第一进口连接，低温回热器的第一出口与再压缩机的进口连接，再压缩机的出口与低温回热器的第二进口连接，冷却器的第一出口与压缩机的进口连接，压缩机的出口与低温回热器的第二进口连接；

所述的ORC回路包括低温换热器、膨胀机、冷凝器、工质泵、冷却器，低温换热器的第二出口与膨胀机的进口连接，低温换热器的第二进口与冷却器的第二出口连接，膨胀机的出口与冷凝器的进口相连，冷凝器的出口与工质泵的进口相连，工质泵出口与冷却器第二进口相连，冷凝后的饱和工质经由工质泵送入到冷却器中与CO₂气体进行换热。

优选的方案中，所述的S-CO₂循环回路中采用超临界CO₂作为工质，ORC回路中采用R123或R227ea作为工质。

优选的方案中，所述的S-CO₂循环回路中的冷却器同时作为ORC回路中的预热器来预热有机工质。

优选的方案中，所述的S-CO₂循环回路中有机工质经过低温换热器转化成饱和蒸汽或过热蒸汽。

优选的方案中，所述冷凝器中的冷却介质为水。

优选的方案中，所述透平还与第一发电机连接，所述的膨胀机还与第二发电机连接。

一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***的热能循环方法，包括以下步骤：

1）核反应堆将冷却剂加热后送入高温换热器中加热；

2）冷却剂在高温换热器内加热CO₂气体产生超临界CO₂气体；

3）超临界CO₂气体送入透平中做工，带动第一发电机发电；

4）超临界CO₂气体送入透平中做工的同时，带动压缩机、再压缩机、预压缩机做工；

5）做工后的高温低压CO₂气体进入高温回热器中与低温回热器输出的CO₂气体实现换热；

6）换热后的高温低压CO₂气体送入预压缩机进行预压缩作业；

7）预压缩后的CO₂气体进入低温回热器中与经过压缩机、再压缩机的气体混合流进行换热；

8）完成换热后的气体流分流，一部分经冷凝器后进入压缩机，另一部分进入再压缩机；

9）由压缩机和再压缩机输出的CO₂气体混合后，混合气体分别吸收低温回热器和高温回热器的热量后，进入高温换热器，实现循环。

优选的方案中，还包括以下步骤：

1）通过冷却器对ORC的有机工质进行预热；

2）将预热后的有机工质送入高温换热器中加热；

3）经高温换热器后的冷却剂再次送入低温换热器中对有机工质进行加热；

4）加热后的有机工质送入膨胀机中膨胀做工，带动第二发电机发电；

5）产生的乏汽经冷凝器冷凝后，通过工质泵送入膨胀机吸收S-CO₂循环中CO₂工质冷凝过程中的热量；

6）最后进入低温换热器中加热，形成循环。

优选的方案中，所述的冷却剂在经低温换热器换热之后由冷却剂泵再次送入核反应堆中吸收核燃料产生的热量。

本发明所提供的一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***及热能循环方法，通过采用上述结构，能够在充分利用核电厂一回路中的热量的前提下，实现回收利用冷凝器中换热热量，并同时将ORC回路中的有机工质进行预热，提高了进入到低温换热器中工质的焓值，可以提高循环的热效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的方框示意图。

图中：高温换热器1，高温回热器2，低温回热器3，冷却器4，压缩机5，再压缩机6，预压缩机7，透平8，低温换热器9，膨胀机10，冷凝器11，工质泵12，第一发电机13，第二发电机14，核反应堆15，冷却剂泵16。

具体实施方式

实施例1：

如图1中，一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***，包括热源回路、S-CO₂循环回路和ORC回路；

所述的热源回路包括高温换热器1、低温换热器9和冷却剂泵16，高温换热器1的第一进口与核反应堆15连接，高温换热器1的第一出口与低温换热器9的第一进口连接，低温换热器9的第一出口与冷却剂泵16的进口连接；

所述的S-CO₂循环回路包括高温换热器1、高温回热器2、低温回热器3、冷却器4、压缩机5、再压缩机6、预压缩机7、透平8，高温换热器1第二进口与高温回热器2的第一出口连接，接收经过高温回热器2加热的CO₂气体，高温换热器1的第二出口与透平8的进口连接，将加热后的高温高压CO₂气体送入透平8中膨胀做功，高温回热器2的第一进口与低温回热器3的第二出口相连，接收经由低温回热器3换热后的CO₂气体，高温回热器2的第二进口与透平8的出口相连，接收做完功的乏汽，高温回热器2的第二出口与预压缩机7的进口相连，将在高温回热器2与低温CO₂气体换热后的乏汽进行预压缩，预压缩机7的出口与低温回热器3的第一进口相连，将压缩后的乏汽送入到低温回热器中进行换热，低温回热器3的第一出口与冷却器4的第一进口连接，对经由低温回热器3换热后的乏汽进行冷凝，低温回热器3的第一出口与再压缩机6的进口连接，对分流的部分CO₂气体进行压缩，再压缩机6的出口与低温回热器3的第二进口连接，将再压缩的CO₂气体与冷却后压缩的气体混合送入低温回热器3，冷却器4的第一出口与压缩机5的进口连接，将冷却后的气体进行压缩，压缩机5的出口与低温回热器3的第二进口连接将压缩后的低温高压CO₂气体送入到低温回热器3中吸热；

所述的ORC回路包括低温换热器9、膨胀机10、冷凝器11、工质泵12、冷却器4，低温换热器9的第二出口与膨胀机10的进口连接，将由低温换热器9加热后的工质送入到膨胀机10中膨胀做功，低温换热器9的第二进口与冷却器4的第二出口连接，接收在冷却器4中与CO₂气体进行换热后的有机工质，膨胀机10的出口与冷凝器11的进口相连，将做完功的乏汽进行冷凝，冷凝器11的出口与工质泵12的进口相连，工质泵12出口与冷却器4第二进口相连，冷凝后的饱和工质经由工质泵12送入到冷却器4中与CO₂气体进行换热。

优选的方案中，所述的S-CO₂循环回路中采用超临界CO₂作为工质，ORC回路中采用低沸点有机物作为工质，可选用R123或R227ea。

优选的方案中，S-CO₂循环回路中采用预压缩与再压缩结合的型式，超临界CO₂在透平中膨胀作功后其压力可以降至临界压力以下，再通过预压缩机压缩至临界压力以上，同时进行分流再压缩来改善换热器的夹点问题。

优选的方案中，S-CO₂循环回路中设置有高温回热器和低温回热器来提高热能利用效率。

优选的方案中，S-CO₂循环设置有压缩机、预压缩机、再压缩机，首先对CO₂气体进行预压缩、然后进行分流再压缩。

优选的方案中，所述的S-CO₂循环回路中的冷却器4同时作为ORC回路中的预热器来预热有机工质。

优选的方案中，所述的S-CO₂循环回路中有机工质经过低温换热器9转化成饱和蒸汽或过热蒸汽。

优选的方案中，所述的冷凝器11中的冷却介质为水。

优选的方案中，所述透平8还与第一发电机13连接，所述的膨胀机10还与第二发电机14连接。

实施例2：

一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***的热能循环方法，包括以下步骤：

1）核反应堆15将冷却剂加热后送入高温换热器1中加热；

2）冷却剂在高温换热器1内加热CO₂气体产生超临界CO₂气体；

3）超临界CO₂气体送入透平8中做工，带动第一发电机13发电；

4）超临界CO₂气体送入透平8中做工的同时，带动压缩机5、再压缩机6、预压缩机7做工；

5）做工后的高温低压CO₂气体进入高温回热器2中与低温回热器3输出的CO₂气体实现换热；

6）换热后的高温低压CO₂气体送入预压缩机7进行预压缩作业；

7）预压缩后的CO₂气体进入低温回热器3中与经过压缩机5、再压缩机6的气体混合流进行换热；

8）完成换热后的气体流分流，一部分经冷凝器11后进入压缩机5，另一部分进入再压缩机6；

9）由压缩机5和再压缩机6输出的CO₂气体混合后，混合气体分别吸收低温回热器3和高温回热器2的热量后，进入高温换热器1，实现循环。

优选的方案中，还包括以下步骤：

1）通过冷却器4对ORC的有机工质进行预热；

2）将预热后的有机工质送入高温换热器1中加热；

3）经高温换热器1后的冷却剂再次送入低温换热器9中对有机工质进行加热；

4）加热后的有机工质送入膨胀机10中膨胀做工，带动第二发电机14发电；

5）产生的乏汽经冷凝器11冷凝后，通过工质泵12送入膨胀机10吸收S-CO₂循环中CO₂工质冷凝过程中的热量；

6）最后进入低温换热器9中加热，形成循环。

优选的方案中，所述的冷却剂在经低温换热器9换热之后由冷却剂泵16再次送入核反应堆15中吸收核燃料产生的热量。

采用上述结构及方法，能够在充分利用核电厂一回路中的热量的前提下，实现回收利用冷凝器中换热热量，并同时将ORC回路中的有机工质进行预热，提高了进入到低温换热器中工质的焓值，可以提高循环的热效率。

Claims (6)

1.一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***，其特征是：包括热源回路、S-CO₂循环回路和ORC回路；

所述的热源回路包括高温换热器（1）、低温换热器（9）和冷却剂泵（16），高温换热器（1）的第一进口与核反应堆（15）连接，高温换热器（1）的第一出口与低温换热器（9）的第一进口连接，低温换热器（9）的第一出口与冷却剂泵（16）的进口连接；

所述的S-CO₂循环回路包括高温换热器（1）、高温回热器（2）、低温回热器（3）、冷却器（4）、压缩机（5）、再压缩机（6）、预压缩机（7）、透平（8），高温换热器（1）第二进口与高温回热器（2）的第一出口连接，高温换热器（1）的第二出口与透平（8）的进口连接，高温回热器（2）的第一进口与低温回热器（3）的第二出口相连，高温回热器（2）的第二进口与透平（8）的出口相连，高温回热器（2）的第二出口与预压缩机（7）的进口相连，预压缩机（7）的出口与低温回热器（3）的第一进口相连，低温回热器（3）的第一出口与冷却器（4）的第一进口连接，低温回热器（3）的第一出口与再压缩机（6）的进口连接，再压缩机（6）的出口与低温回热器（3）的第二进口连接，冷却器（4）的第一出口与压缩机（5）的进口连接，压缩机（5）的出口与低温回热器（3）的第二进口连接；

所述的ORC回路包括低温换热器（9）、膨胀机（10）、冷凝器（11）、工质泵（12）、冷却器（4），低温换热器（9）的第二出口与膨胀机（10）的进口连接，低温换热器（9）的第二进口与冷却器（4）的第二出口连接，膨胀机（10）的出口与冷凝器（11）的进口相连，冷凝器（11）的出口与工质泵（12）的进口相连，工质泵（12）出口与冷却器（4）第二进口相连，冷凝后的饱和工质经由工质泵（12）送入到冷却器（4）中与CO₂气体进行换热。

2.根据权利要求1所述的一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***，其特征在于：所述的S-CO₂循环回路中采用超临界CO₂作为工质，ORC回路中采用R123或R227ea作为工质。

3.根据权利要求1所述的一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***，其特征在于：所述的S-CO₂循环回路中的冷却器（4）同时作为ORC回路中的预热器来预热有机工质。

4.根据权利要求2所述的一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***，其特征在于：所述的S-CO₂循环回路中有机工质经过低温换热器（9）转化成饱和蒸汽或过热蒸汽。

5.根据权利要求1所述的一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***，其特征在于：所述的冷凝器（11）中的冷却介质为水。

6.根据权利要求1所述的一种S-CO₂循环与ORC循环结合的核能发电***，其特征在于：所述透平（8）还与第一发电机（13）连接，所述的膨胀机（10）还与第二发电机（14）连接。