一种高温气冷堆热电联产的系统和方法与流程

1.本发明属于核电技术领域，具体涉及一种高温气冷堆热电联产的系统和方法。


背景技术：

2.目前高温气冷堆示范电站利用直流蒸发器将反应堆产生的热量加热水，产生蒸汽，推动汽轮机发电的。
3.该系统存在以下一些问题：
4.(1)没有设计对外供热的系统；
5.(2)该系统结构复杂，特别是直流蒸发器制造、运行困难。
6.(3)目前在建的高温气冷堆核电站示范工程，蒸发器换热管内为14mpa、570℃的蒸汽，换热管外为7mpa、750℃的带有放射性石墨粉尘的氦气，换热管在运行中泄漏后危害很大。
7.(4)换热管故障后没有换管的手段，一根换热管在大负荷下的泄露将会损伤临近换热管，大量换热管的损伤将影响机组出力，甚至使得蒸发器报废。
8.(5)在启动停止阶段、干湿态转换阶段均存在蒸发器入口给水流量温度、流量难以控制，蒸发器出口压力波动大，主蒸汽温度变化剧烈，影响到蒸发器及汽轮机运行安全。
9.(6)在事故停堆后机组需要长时间冷却才能再次建立水循环启动，影响到机组的可用性及经济性。


技术实现要素：

10.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种高温气冷堆热电联产的系统和方法。
11.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
12.一种高温气冷堆热电联产的系统，包括高温气冷堆堆芯、第一换热器、二氧化碳透平、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第二二氧化碳压缩机和低温热用户；其中，
13.高温气冷堆堆芯的出口接在第一换热器的第一入口，第一换热器的第二出口接在二氧化碳透平的入口；二氧化碳透平的出口接在第二换热器的第一入口，第二换热器的第一出口接在第三换热器的第一入口，第三换热器的第一出口分为两股，第一股接在第四换热器的第一入口，第二股接在第二二氧化碳压缩机的入口，第四换热器的第一出入口接在第四换热器的一次侧，第四换热器的第二出入口接在第四换热器的二次侧，低温热用户的出口接在第四换热器的第二入口，第四换热器的第二出口接在低温热用户的入口。
14.本发明进一步的改进在于，第一换热器是一种表面式氦-二氧化碳换热器，第一换热器的一次侧为高温氦气，二次侧为二氧化碳，高温氦气将热量传递给低温二氧化碳，两种介质有各自的流道，不互相混合，第一换热器的第一出入口接在第一换热器的一次侧，第一换热器的第二出入口接在第一换热器的二次侧。
15.本发明进一步的改进在于，第二换热器和第三换热器均为表面式二氧化碳-二氧
化碳换热器，其一次侧为高温侧，二次侧为低温侧，第四换热器为表面式换热器，其一次侧为高温侧，二次侧为低温侧，高温侧为二氧化碳，低温侧根据用户需求选择换热介质，第二换热器的第一出入口接在第二换热器的一次侧，第二换热器的第二出入口接在第二换热器的二次侧，第三换热器的第一出入口接在第三换热器的一次侧，第三换热器的第二出入口接在第三换热器的二次侧，第四换热器的第一出入口接在第四换热器的一次侧，第四换热器的第二出入口接在第四换热器的二次侧。
16.本发明进一步的改进在于，还包括第一二氧化碳压缩机、第五换热器、第六换热器和高温热用户；其中，
17.第四换热器的第一出口接在第一二氧化碳压缩机的入口，第一二氧化碳压缩机的出口接在第三换热器的第二入口，第三换热器的第二出口与第二二氧化碳压缩机的出口混合后又分为两股，第一股接在第二换热器的第二入口，第二股接在第五换热器的第二入口，第五换热器的第二出口与第二换热器的第二出口混合后接在第一换热器的第二出口，第一换热器的第一出口接在第五换热器的第一入口，第五换热器的第一出口接在第六换热器的第一入口，第六换热器的第一出口接在高温气冷堆堆芯的入口，高温热用户的出口接在第六换热器的第二入口，第六换热器的第二出口接在高温热用户的入口。
18.本发明进一步的改进在于，第五换热器是一种表面式氦-二氧化碳换热器，其一次侧为高温侧，二次侧为低温侧，高温氦气将热量传递给低温二氧化碳，两种介质有各自的流道，不互相混合，第五换热器的第一出入口接在第五换热器的一次侧，第五换热器的第二出入口接在第四换热器的二次侧。
19.本发明进一步的改进在于，第六换热器为表面式换热器，其一次侧为高温侧，二次侧为低温侧，其高温侧为氦气，低温侧根据用户需求选择换热介质，第六换热器的第一出入口接在第六换热器的一次侧，第六换热器的第二出入口接在第六换热器的二次侧。
20.本发明进一步的改进在于，还包括第一联轴器、第二联轴器、第三联轴器和发电机；
21.发电机与第三联轴器、二氧化碳透平、第二联轴器、第二二氧化碳压缩机、第一联轴器、第一二氧化碳压缩机同轴布置，发电机既具有发电机的功能，也具有电动机的功能，一联轴器、第二联轴器、第三联轴器均为超级联轴器。
22.本发明进一步的改进在于，在第四换热器的第一入口和第二二氧化碳压缩机入口装有流量调节阀门，在第二换热器的第二入口和第五换热器的第二入口装有流量调节阀门。
23.本发明进一步的改进在于，高温气冷堆堆芯、第一换热器的一次侧、第五换热器的一次侧、第六换热器的一次侧构成了高温气冷堆热电联产的系统的一回路，二氧化碳透平、第二换热器、第三换热器、第四换热器的一次侧、第一二氧化碳压缩机、第二二氧化碳压缩机、第五换热器的二次侧、第一换热器的二次侧构成了高温气冷堆热电联产的系统的二回路。
24.一种高温气冷堆热电联产的方法，该方法基于所述的一种高温气冷堆热电联产的系统，包括以下步骤：
25.向一回路充入氦气，并建立起一回路压力及氦气循环；
26.向二回路充入二氧化碳，并建立起二回路压力；
27.在高温气冷堆热电联产的系统启动初期，发电机充当电动机对外输出功，带动二氧化碳透平、第二二氧化碳压缩机、第一二氧化碳压缩机转动建立起二回路系统的流量循环；
28.提升高温气冷堆堆芯的核功率；
29.随着高温气冷堆堆芯的和功率上升，一回路氦气温度和二回路二氧化碳温度提升，二氧化碳透平做功，发电机充当电动机对外输出功逐步减小，直至为零，此时二氧化碳透平向发电机输出功，发电机对外发电，直至达到需要的负荷；
30.在一回路温度升高的过程中，第六换热器根据高温热用户的需求对外供热；
31.在二回路温度升高的过程中，第四换热器根据低温热用户的需求对外供热。
32.与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
33.本发明提供的一种高温气冷堆热电联产的系统和方法，该系统与目前通常使用的系统比起来有以下几方面明显的优点：
34.1)该方法提供了高温气冷堆核电站对外供热的方法，用该方法可以对外提供高温热源和低温热源，满足目前大多数工业和民用供热要求；
35.2)二氧化碳属于惰性气体，与一回路的氦气及石墨粉尘均不会发生化学反应，工质安全性有充分保障。
36.3)超临界二氧化碳发电循环全工况范围无相变，一二回路换热器为气-气(氦气-超临界二氧化碳)换热器，避免了干湿态转化，避免了启停和运行过程的两相流流动不稳定性等问题，从机理上极大程度的规避了换热器流致振动的问题。
37.4)超临界二氧化碳发电循环在高温度参数条件下，效率优势更为显著，与高温气冷堆的定位更加契合。在现有高温气冷堆示范电站一回路不变，反应堆出口氦气温度750℃时，利用本发明所提供的方法，在对外提供中、高温热70mw，低温热80mw、发电90mw，组发电效率可达到52％。
附图说明
38.图1为本发明一种高温气冷堆热电联产的系统的结构框图。
39.附图标记说明：
40.1、高温气冷堆堆芯，2、第一换热器，3、二氧化碳透平，4、第二换热器，5、第三换热器，6、第四换热器，7、低温热用户，8、第一二氧化碳压缩机，9、第二二氧化碳压缩机，10、第五换热器，11、第六换热器，12、高温热用户，13、第一联轴器，14、第二联轴器，15、第三联轴器，16、发电机。
具体实施方式
41.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
42.如图1所示，本发明提供的一种高温气冷堆热电联产的系统，包括高温气冷堆堆芯
1、第一换热器2、二氧化碳透平3、第二换热器4、第三换热器5、第四换热器6、低温热用户7、第一二氧化碳压缩机8、第二二氧化碳压缩机9、第五换热器10、第六换热器11、高温热用户12、第一联轴器13、第二联轴器14、第三联轴器15和发电机16。
43.高温气冷堆堆芯1的出口接在第一换热器2的第一入口，第一换热器2的第二出口接在二氧化碳透平3的入口；二氧化碳透平3的出口接在第二换热器4的第一入口，第二换热器4的第一出口接在第三换热器5的第一入口，第三换热器5的第一出口分为两股，第一股接在第四换热器6的第一入口，第二股接在第二二氧化碳压缩机9的入口，第四换热器6的第一出入口接在第四换热器6的一次侧，第四换热器6的第二出入口接在第四换热器6的二次侧，低温热用户7的出口接在第四换热器6的第二入口，第四换热器6的第二出口接在低温热用户7的入口。第四换热器6的第一出口接在第一二氧化碳压缩机8的入口，第一二氧化碳压缩机8的出口接在第三换热器5的第二入口，第三换热器5的第二出口与第二二氧化碳压缩机9的出口混合后又分为两股，第一股接在第二换热器4的第二入口，第二股接在第五换热器10的第二入口，第五换热器10的第二出口与第二换热器4的第二出口混合后接在第一换热器2的第二出口，第一换热器2的第一出口接在第五换热器10的第一入口，第五换热器10的第一出口接在第六换热器11的第一入口，第六换热器11的第一出口接在高温气冷堆堆芯1的入口，高温热用户12的出口接在第六换热器11的第二入口，第六换热器11的第二出口接在高温热用户12的入口。发电机16与第三联轴器15、二氧化碳透平3、第二联轴器14、第二二氧化碳压缩机9、第一联轴器13、第一二氧化碳压缩机8同轴布置，发电机15既具有发电机的功能，也具有电动机的功能，一联轴器13、第二联轴器14、第三联轴器15均为超级联轴器。
44.其中，第一换热器2是一种表面式氦-二氧化碳换热器，第一换热器2的一次侧为高温氦气，二次侧为二氧化碳，高温氦气将热量传递给低温二氧化碳，两种介质有各自的流道，不互相混合，第一换热器2的第一出入口接在第一换热器2的一次侧，第一换热器2的第二出入口接在第一换热器2的二次侧。
45.第二换热器4和第三换热器5均为表面式二氧化碳-二氧化碳换热器，其一次侧为高温侧，二次侧为低温侧，第四换热器6也为表面式换热器，其一次侧为高温侧，二次侧为低温侧，高温侧为二氧化碳，低温侧根据用户需求选择换热介质，第二换热器4的第一出入口接在第二换热器4的一次侧，第二换热器4的第二出入口接在第二换热器4的二次侧，第三换热器5的第一出入口接在第三换热器5的一次侧，第三换热器5的第二出入口接在第三换热器5的二次侧，第四换热器6的第一出入口接在第四换热器6的一次侧，第四换热器6的第二出入口接在第四换热器6的二次侧。
46.第五换热器10是一种表面式氦-二氧化碳换热器，其一次侧为高温侧，二次侧为低温侧，高温氦气将热量传递给低温二氧化碳，两种介质有各自的流道，不互相混合，第五换热器10的第一出入口接在第五换热器10的一次侧，第五换热器10的第二出入口接在第四换热器6的二次侧。
47.第六换热器11为表面式换热器，其一次侧为高温侧，二次侧为低温侧，其高温侧为氦气，低温侧根据用户需求选择换热介质，第六换热器11的第一出入口接在第六换热器11的一次侧，第六换热器11的第二出入口接在第六换热器11的二次侧。
48.此外，在第四换热器6的第一入口和第二二氧化碳压缩机9入口装有流量调节阀门，在第二换热器4的第二入口和第五换热器10的第二入口装有流量调节阀门。高温气冷堆
堆芯1、第一换热器2的一次侧、第五换热器10的一次侧、第六换热器11的一次侧构成了高温气冷堆热电联产的系统的一回路，二氧化碳透平3、第二换热器4、第三换热器5、第四换热器6的一次侧、第一二氧化碳压缩机8、第二二氧化碳压缩机9、第五换热器10的二次侧、第一换热器2的二次侧构成了高温气冷堆热电联产的系统的二回路。
49.本发明提供的一种高温气冷堆热电联产的方法，包括以下步骤：
50.向一回路充入氦气，并建立起一回路压力及氦气循环；
51.向二回路充入二氧化碳，并建立起二回路压力；
52.在高温气冷堆热电联产的系统启动初期，发电机16充当电动机对外输出功，带动二氧化碳透平3、第二二氧化碳压缩机9、第一二氧化碳压缩机8转动建立起二回路系统的流量循环；
53.提升高温气冷堆堆芯1的核功率；
54.随着高温气冷堆堆芯1的和功率上升，一回路氦气温度和二回路二氧化碳温度提升，二氧化碳透平3做功，发电机16充当电动机对外输出功逐步减小，直至为零，此时二氧化碳透平3向发电机16输出功，发电机16对外发电，直至达到需要的负荷；
55.在一回路温度升高的过程中，第六换热器11根据高温热用户12的需求对外供热；
56.在二回路温度升高的过程中，第四换热器6根据低温热用户7的需求对外供热。
57.实施例
58.目前正在建设的高温气冷堆示范工程，二回路采用汽轮机发电系统，常规岛配备有循环水系统、凝结水系统、除氧器系统、主给水系统、蒸汽发生器、主汽系统，汽轮发电机系统、除盐水制备系统等，设计额定工况反应堆单堆功率为250mw，对外发电100mw，发电效率为40％，没有设计对外供热。
59.采用本发明所采用的方法，一回路不用做任何改动，二回路采用超临界二氧化碳发电系统，让二氧化碳发电系统工作在最佳效率工况下，即二氧化碳透平入口参数为28mpa、620℃，二氧化碳透平出口参数为7.8mpa、457℃，可以发电124.67mw左右，系统耗功34.54mw左右，可对外发电90.13mw左右，发电效率可达52％。在发电的同时可以对外供温度可达400℃左右的高温热70mw，温度可达75℃左右的低温热80mw左右。
60.本发明所提供的方法，可以在高效发电的同时，实现“零碳”供热。同时本发明所提供的方法，二回路的设备、系统远远少于目前的高温气冷堆示范工程，降低建设成本。
61.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。