小型氟盐冷却高温堆自适应布雷顿循环能量转换系统的制作方法

1.本发明属于先进核能开发与高效能源转换技术领域，具体涉及一种小型氟盐冷却高温堆自适应布雷顿循环能量转换系统。


背景技术：

2.氟盐冷却高温堆结合了第四代先进核反应堆：高温气冷反应堆和钠冷快堆的优势，具有高温低压、无水冷却、固有安全和结构紧凑等优点。在氟盐冷却高温堆的基础上，模块化的小型氟盐冷却高温反应堆具有体积小、重量轻、成本低等优势，可以实现在偏远、干旱地区高效发电，同时可输出700℃以上的高温工艺热，用于制氢、盐水淡化和矿产开发等，为偏远地区提供一体化的能源解决方案。此外小型氟盐冷却高温堆适合建在地下设施中，具有良好的隐蔽性和集约性。为匹配小型氟盐冷却高温堆的优势，亟待开发相应的高效能量转换系统，为上述应用场景提供稳定、安全、高功率的热电等能源。目前，部分反应堆采用了温差发电系统等静默式能量转换系统，但考虑到经济性和技术成熟性，大多数的陆基反应堆仍然采用效率更高的动力循环系统。
3.根据循环过程中能量的不同传输过程和工质的物理性质差异，主要的大功率动力循环系统为朗肯循环和布雷顿循环。对于朗肯循环，根据工质是否为有机物可将其分为无机朗肯循环(如水、汞等)和有机朗肯循环。考虑到小型氟盐冷却高温堆的应用场景，水蒸气朗肯循环难以发挥小型化和高效控制等优势：水蒸汽的相变特性和低密度直接导致汽机和冷凝系统的体积庞大、设计流程复杂且控制过程相对迟滞；而汞蒸汽或其他液态金属蒸汽朗肯循环在技术上并不成熟；另外对于有机朗肯循环，大多数工质都难以承受小型氟盐冷却高温堆堆芯出口700℃以上的高温。对于布雷顿循环，考虑到其结构简单、控制灵活，可优先考虑作为小型氟盐冷却高温堆的能量转换系统。采用不同工质(如空气、二氧化碳和稀有气体等)的布雷顿循环在核反应堆系统中已有部分研究和工程应用，如空气布雷顿循环以及在此基础上研发的核
‑
布雷顿联合循环、超临界二氧化碳布雷顿循环和稀有气体布雷顿循环等。
4.针对小型氟盐冷却高温堆的应用场景，如我国西部偏远干旱地区、矿产开发区、军事基地和大型地下设施等，尚未有较为详细的能量转换系统方案。考虑到布雷顿动力循环系统的设计、优化和评估工作十分复杂，尽管已有一些应用在其他反应堆上的初步方案，却很难直接决定它们能否直接应用于小型氟盐冷却高温堆及其特殊的应用场景，因此研发适用于小型氟盐冷却高温堆的布雷顿能量转换系统，既是整个反应堆系统工程的必要环节，有助于推动我国自主掌握反应堆布雷顿循环系统设计技术的进程，也是为其应用地区提供能量供给方案、助力经济建设和贯彻节能减排战略的必然要求。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的问题，本发明公开了小型氟盐冷却高温堆多模式、自适应的布雷顿循环能量转换系统方案，为系统优化和详细设计提供基础。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.小型氟盐冷却高温堆自适应布雷顿循环能量转换系统，包括反应堆本体系统1、熔盐储能系统2和布雷顿动力循环系统3；
8.所述反应堆本体系统1作为自适应布雷顿循环能量转换系统的热源，其内部包括分流装置1
‑
1、第一熔盐泵1
‑
2、第二熔盐泵1
‑
5、紧凑式熔盐
‑
布雷顿系统换热器1
‑
3、紧凑式熔盐
‑
熔盐换热器1
‑
6以及合流装置1
‑
4；堆芯出口连接至分流装置1
‑
1，热熔盐首先流入分流装置1
‑
1，随后按照分流模式决定流向第一出口下游的第一熔盐泵1
‑
2或第二出口下游的第二熔盐泵1
‑
5；若不采取分流则同时流向第一熔盐泵1
‑
2和第二熔盐泵1
‑
5；第一熔盐泵1
‑
2的出口连接紧凑式熔盐
‑
布雷顿系统换热器1
‑
3热侧入口，第二熔盐泵1
‑
5出口连接紧凑式熔盐
‑
熔盐换热器1
‑
6热侧入口，紧凑式熔盐
‑
布雷顿系统换热器1
‑
3的热侧出口与合流装置1
‑
4的第一入口连接，紧凑式熔盐
‑
熔盐换热器1
‑
6的热侧出口与合流装置1
‑
4的第二入口连接，换热后的冷熔盐流经合流装置1
‑
4后进入堆芯吸热，完成堆芯循环；
9.所述熔盐储能系统2作为自适应布雷顿循环能量转换系统的储能和中间输热子系统，包括熔盐泵2
‑
1、熔盐池2
‑
2和浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3；熔盐泵2
‑
1与熔盐池2
‑
2连接，吸入熔盐池2
‑
2出口的冷熔盐并将其输送至反应堆本体系统1的紧凑式熔盐
‑
熔盐换热器1
‑
6冷侧吸收热量；换热器1
‑
6冷侧出口与熔盐池2
‑
2入口连接，吸热后的热熔盐进入熔盐池2
‑
2，一部分流经浸没在熔盐池内的浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3的两个并联热侧，向布雷顿动力循环系统3释放热量，随后流出浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3并与另一部分未流经浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器的熔盐合流，再被熔盐泵2
‑
1吸入，完成输热循环；
10.所述布雷顿动力循环系统3包括第一合流装置3
‑
1、第二合流装置3
‑
3、第三合流装置3
‑
7、第一分流装置3
‑
5、第二分流装置3
‑
8、第三分流装置3
‑
9、一体式涡轮系统3
‑
2、组合式回热器3
‑
4和自适应空冷换热器3
‑
6；组合式回热器3
‑
4内部包含至少一组紧凑式高温换热器芯体3
‑4‑
1和至少一组紧凑式低温换热器芯体3
‑4‑
2；一体式涡轮系统3
‑
2内部的转子包括高压透平3
‑2‑
2、低压透平3
‑2‑
1、主压缩机3
‑2‑
4和辅压缩机3
‑2‑
3各一台；各部件连接关系为：在组合式回热器3
‑
4中，热侧入口与第二合流装置3
‑
3的出口连接、热侧出口与第一分流装置3
‑
5的入口连接、冷侧入口与主压缩机3
‑2‑
4的出口连接、冷侧出口与第二分流装置3
‑
8的入口连接；在一体式涡轮系统3
‑
2中，高压透平3
‑2‑
2入口与第一合流装置3
‑
1的出口连接、出口与第二合流装置3
‑
3的第一入口连接，低压透平3
‑2‑
1入口与熔盐储能系统2的浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3连接、出口与第三分流装置3
‑
9的入口连接，主压缩机3
‑2‑
4入口与自适应空冷换热器3
‑
6出口连接、出口与组合式回热器3
‑
4的紧凑式低温换热器芯体3
‑4‑
2冷侧入口连接，辅压缩机3
‑2‑
3入口与第一分流装置3
‑
5的第二出口连接、出口与第三合流装置3
‑
7的第一入口连接；第二合流装置3
‑
3的第二入口和第三分流装置3
‑
9的第二出口连接；第一合流装置3
‑
1的第一入口与反应堆本体系统1的紧凑式熔盐
‑
布雷顿系统换热器1
‑
3冷侧出口连接、第二入口与熔盐储能系统2的浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3第一冷侧出口连接；第二分流装置3
‑
8的第一出口与熔盐储能系统2的浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3第二冷侧入口连接、第二出口与反应堆本体系统1的紧凑式熔盐
‑
布雷顿系统换热器1
‑
3冷侧入口连接；第三分流装置3
‑
9的第一出口与熔盐储能系统2的浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3第一冷侧入口连接；调节布雷顿动力循环系统3
的合流装置和分流装置开关状态，能够改变布雷顿动力循环系统冷端和热端构型，进而形成不同的布雷顿动力循环系统3方案。
11.布雷顿动力循环系统3的冷端构型包括组合式回热器3
‑
4、分流装置3
‑
5、自适应空冷换热器3
‑
6、一体式涡轮系统3
‑
2中的主压缩机3
‑2‑
4和辅压缩机3
‑2‑
4和合流装置3
‑
7；布雷顿动力循环系统冷端构型的不同构型方案如下：
12.1)第一分流装置3
‑
5的第二出口关闭、第一出口开启，第三合流装置3
‑
7的第一入口关闭、第二入口开启，构成冷端原始循环；
13.2)第一分流装置3
‑
5和第三合流装置3
‑
7全开，构成冷端分流再压缩循环；
14.布雷顿动力循环系统3的热端构型包括一体式涡轮系统3
‑
2中的高压透平3
‑2‑
2和低压透平3
‑2‑
1、第一合流装置3
‑
1和第二合流装置3
‑
3、第二分流装置3
‑
8和第三分流装置3
‑
9、熔盐储能系统2和反应堆本体系统1；布雷顿动力循环系统热端构型的不同构型方案如下：
15.1)分流装置1
‑
1的第一出口开启、第二出口关闭，合流装置1
‑
4的第一入口开启、第二入口关闭，第一合流装置3
‑
1的第二入口关闭、第一入口开启，第二合流装置3
‑
3的第二入口关闭、第一入口开启，其余合流、分流装置全闭，第二熔盐泵1
‑
5和熔盐泵2
‑
1关闭，熔盐储能系统2停止工作并保温，此时构成热端原始堆芯加热循环；
16.2)分流装置1
‑
1的第一出口关闭、第二出口开启，合流装置1
‑
4的第一入口关闭、第二入口开启，第一合流装置3
‑
1全闭，第三分流装置3
‑
9的第一出口关闭、第二出口开启，第二合流装置3
‑
3的第一入口关闭、第二入口开启，第二分流装置3
‑
8的第二出口关闭、第一出口开启，构成热端原始熔池加热循环；
17.3)分流装置1
‑
1和合流装置1
‑
4全开，第一合流装置3
‑
1的第二入口关闭、第一入口开启，第三分流装置3
‑
9的第一出口关闭、第二出口开启，第二分流装置3
‑
8和第二合流装置3
‑
3全开，构成热端原始复合加热循环；
18.4)分流装置1
‑
1的第一出口关闭、第二出口开启，合流装置1
‑
4的第一入口关闭、第二入口开启，第一合流装置3
‑
1的第一入口关闭、第二入口开启，第三分流装置3
‑
9的第二出口关闭、第一出口开启，第二合流装置3
‑
3的第二入口关闭、第一入口开启，第二分流装置3
‑
8的第二出口关闭、第一出口开启，构成热端再热循环。
19.布雷顿动力循环系统3能够两两自由耦合所有冷端构型方案和所有热端构型方案：冷端构型方案包括冷端原始循环、冷端分流再压缩循环，热端构型方案包括热端原始堆芯加热循环、热端原始熔池加热循环、热端原始复合加热循环和热端再热循环，因此共能组成八种不同的布雷顿循环构型，能够适应不同的任务需求和空间需求。
20.反应堆本体系统1的反应堆容器高度不得超过15米，直径不得超过5米，堆芯热功率在300mw以下；可根据任务需求情况决定是否使用熔盐储能系统2，熔盐池体积不做特别限定，可根据空间利用情况进行调整，但一般不大于反应堆容器体积；布雷顿动力循环系统3的组合式回热器3
‑
4内部采用多紧凑式换热器串并联方式布置，总体体积不得大于10m3。
21.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
22.适应性好：小型氟盐冷却高温堆对尺寸和控制响应速度的要求使得能量转换系统必须要严格控制其体积，而反应堆又能提供高温工艺热。因此，为提升反应堆的综合利用能力同时满足尺寸要求，本发明包含了八种可切换的循环构型，为偏远地区、工业园区和军事
基地等提供一体化的能源解决方案。
23.热效率高：本发明并未规定布雷顿动力循环系统的工质，用户可根据不同选择进行初步热平衡核算。计算表明采用超临界状态下的二氧化碳、氙和六氟化硫时，最紧凑的冷端原始循环、热端原始堆芯加热循环构型的热效率能达到45％以上，而采用冷端分流再压缩构型和热端再热构型时，热效率能超过50％，具有良好的热经济性。
24.模块化技术：该自适应布雷顿循环能量转换系统的各设备均模块化设计，当采用不同类型流体作为循环工质时，经核算后可快速替换相应设备，降低初次投资成本。
附图说明
25.图1是本发明小型氟盐冷却高温堆自适应布雷顿循环能量转换系统总示意图。
26.图2是系统冷端原始循环示意图。
27.图3是系统冷端分流再压缩循环示意图。
28.图4是系统热端原始堆芯加热循环示意图。
29.图5是系统热端原始熔池加热循环示意图。
30.图6是系统热端原始复合加热循环示意图。
31.图7是系统热端再热循环示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：
33.如图1所示，小型氟盐冷却高温堆自适应布雷顿循环能量转换系统，包括反应堆本体系统1、熔盐储能系统2和布雷顿动力循环系统3；
34.所述反应堆本体系统1作为自适应布雷顿循环能量转换系统的热源，其内部包括分流装置1
‑
1、第一熔盐泵1
‑
2、第二熔盐泵1
‑
5、紧凑式熔盐
‑
布雷顿系统换热器1
‑
3、紧凑式熔盐
‑
熔盐换热器1
‑
6以及合流装置1
‑
4；堆芯出口连接至分流装置1
‑
1，热熔盐首先流入分流装置1
‑
1，随后按照分流模式决定流向第一出口下游的第一熔盐泵1
‑
2或第二出口下游的第二熔盐泵1
‑
5；若不采取分流则同时流向第一熔盐泵1
‑
2和第二熔盐泵1
‑
5；第一熔盐泵1
‑
2的出口连接紧凑式熔盐
‑
布雷顿系统换热器1
‑
3热侧入口，第二熔盐泵1
‑
5出口连接紧凑式熔盐
‑
熔盐换热器1
‑
6热侧入口，紧凑式熔盐
‑
布雷顿系统换热器1
‑
3的热侧出口与合流装置1
‑
4的第一入口连接，紧凑式熔盐
‑
熔盐换热器1
‑
6的热侧出口与合流装置1
‑
4的第二入口连接，换热后的冷熔盐流经合流装置1
‑
4后进入堆芯吸热，完成堆芯循环；
35.所述熔盐储能系统2作为自适应布雷顿循环能量转换系统的储能和中间输热子系统，包括熔盐泵2
‑
1、熔盐池2
‑
2和浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3；熔盐泵2
‑
1与熔盐池2
‑
2连接，吸入熔盐池2
‑
2出口的冷熔盐并将其输送至反应堆本体系统1的紧凑式熔盐
‑
熔盐换热器1
‑
6冷侧吸收热量；换热器1
‑
6冷侧出口与熔盐池2
‑
2入口连接，吸热后的热熔盐进入熔盐池2
‑
2，一部分流经浸没在熔盐池内的浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3的两个并联热侧，向布雷顿动力循环系统3释放热量，随后流出浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3并与另一部分未流经浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器的熔盐合流，再被熔盐泵2
‑
1吸入，完成输热循环；
36.所述布雷顿动力循环系统3包括第一合流装置3
‑
1、第二合流装置3
‑
3、第三合流装
置3
‑
7、第一分流装置3
‑
5、第二分流装置3
‑
8、第三分流装置3
‑
9、一体式涡轮系统3
‑
2、组合式回热器3
‑
4和自适应空冷换热器3
‑
6；组合式回热器3
‑
4内部包含至少一组紧凑式高温换热器芯体3
‑4‑
1和至少一组紧凑式低温换热器芯体3
‑4‑
2；一体式涡轮系统3
‑
2内部的转子包括高压透平3
‑2‑
2、低压透平3
‑2‑
1、主压缩机3
‑2‑
4和辅压缩机3
‑2‑
3各一台；各部件连接关系为：在组合式回热器3
‑
4中，热侧入口与第二合流装置3
‑
3的出口连接、热侧出口与第一分流装置3
‑
5的入口连接、冷侧入口与主压缩机3
‑2‑
4的出口连接、冷侧出口与第二分流装置3
‑
8的入口连接；在一体式涡轮系统3
‑
2中，高压透平3
‑2‑
2入口与第一合流装置3
‑
1的出口连接、出口与第二合流装置3
‑
3的第一入口连接，低压透平3
‑2‑
1入口与熔盐储能系统2的浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3连接、出口与第三分流装置3
‑
9的入口连接，主压缩机3
‑2‑
4入口与自适应空冷换热器3
‑
6出口连接、出口与组合式回热器3
‑
4的紧凑式低温换热器芯体3
‑4‑
2冷侧入口连接，辅压缩机3
‑2‑
3入口与第一分流装置3
‑
5的第二出口连接、出口与第三合流装置3
‑
7的第一入口连接；第二合流装置3
‑
3的第二入口和第三分流装置3
‑
9的第二出口连接；第一合流装置3
‑
1的第一入口与反应堆本体系统1的紧凑式熔盐
‑
布雷顿系统换热器1
‑
3冷侧出口连接、第二入口与熔盐储能系统2的浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3第一冷侧出口连接；第二分流装置3
‑
8的第一出口与熔盐储能系统2的浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3第二冷侧入口连接、第二出口与反应堆本体系统1的紧凑式熔盐
‑
布雷顿系统换热器1
‑
3冷侧入口连接；第三分流装置3
‑
9的第一出口与熔盐储能系统2的浸没式紧凑熔盐
‑
布雷顿系统换热器2
‑
3第一冷侧入口连接；调节布雷顿动力循环系统3的合流装置和分流装置开关状态，能够改变布雷顿动力循环系统冷端和热端构型，进而形成不同的布雷顿动力循环系统3方案；
37.布雷顿动力循环系统冷端构型
38.布雷顿动力循环系统冷端构型包括组合式回热器3
‑
4、分流装置3
‑
5、自适应空冷换热器3
‑
6、一体式涡轮系统3
‑
2中的主压缩机3
‑2‑
4和辅压缩机3
‑2‑
4和合流装置3
‑
7；循环系统冷端构型的不同构型方案如下：
39.1)冷端原始循环如图2所示，第一分流装置3
‑
5的第二出口关闭、第一出口开启，第三合流装置3
‑
7的第一入口关闭、第二入口开启；流体流向与图中箭头一致；
40.2)冷端分流再压缩循环如图3所示，第一分流装置3
‑
5和第三合流装置3
‑
7全开；流体流向与图中箭头一致；
41.布雷顿动力循环系统热端构型
42.布雷顿动力循环系统热端构型包括一体式涡轮系统3
‑
2中的高压透平3
‑2‑
2和低压透平3
‑2‑
1、第一合流装置3
‑
1和第二合流装置3
‑
3、第二分流装置3
‑
8和第三分流装置3
‑
9、熔盐储能系统2和反应堆本体系统1；布雷顿动力循环系统热端构型的不同构型方案如下：
43.1)热端原始堆芯加热循环如图4所示，分流装置1
‑
1的第一出口开启、第二出口关闭，合流装置1
‑
4的第一入口开启、第二入口关闭，第一合流装置3
‑
1的第二入口关闭、第一入口开启，第二合流装置3
‑
3的第二入口关闭、第一入口开启，其余合流、分流装置全闭，第二熔盐泵1
‑
5和熔盐泵2
‑
1关闭，熔盐储能系统2停止工作并保温；流体流向与图中箭头一致；
44.2)热端原始熔池加热循环如图5所示，分流装置1
‑
1的第一出口关闭、第二出口开
启，合流装置1
‑
4的第一入口关闭、第二入口开启，合流装置3
‑
1全闭，第三分流装置3
‑
9的第一出口关闭、第二出口开启，第二合流装置3
‑
3的第一入口关闭、第二入口开启，第二分流装置3
‑
8的第二出口关闭、第一出口开启；流体流向与图中箭头一致；
45.3)热端原始复合加热循环如图6所示，分流装置1
‑
1和合流装置1
‑
4全开，第一合流装置3
‑
1的第二入口关闭、第一入口开启，第三分流装置3
‑
9的第一出口关闭、第二出口开启，第二分流装置3
‑
8和第二合流装置3
‑
3全开；流体流向与图中箭头一致；
46.4)热端再热循环如图7所示，分流装置1
‑
1的第一出口关闭、第二出口开启，合流装置1
‑
4的第一入口关闭、第二入口开启，第一合流装置3
‑
1的第一入口关闭、第二入口开启，第三分流装置3
‑
9的第二出口关闭、第一出口开启，第二合流装置3
‑
3的第二入口关闭、第一入口开启，第二分流装置3
‑
8的第二出口关闭、第一出口开启；流体流向与图中箭头一致；
47.布雷顿动力循环系统3能够两两自由耦合上述的冷端和热端不同构型方案。两种冷端构型方案包括冷端原始循环和冷端分流再压缩循环；四种热端构型方案包括热端原始堆芯加热循环、热端原始熔池加热循环、热端原始复合加热循环和热端再热循环。因此共能组成八种不同的布雷顿循环构型，能够适应不同的任务需求和空间需求。其中冷端原始循环结合热端原始堆芯加热循环具有最小的体积和最迅速的控制响应；冷端分流再压缩循环能极大地提升整体热效率；热端原始复合加热循环能够在直接输出反应堆功率的同时提供高温工艺热；热端再热循环能够在高温工艺热的同时进一步提升系统热效率。
48.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。