一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统及方法

摘要

本发明公开了一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统及方法，该字体包括主压缩机、主压缩机拖动透平、主压缩机辅助电动机、再压缩机、再压缩机拖动透平、再压缩机辅助电动机、发电透平、发电机、预冷器、低温回热器、高温回热器、钠‑超临界二氧化碳换热器、钠‑钠换热器和反应堆。本发明通过综合考虑钠冷快堆二回路的液态金属钠的换热窗口和三回路超临界二氧化碳布雷顿循环吸热窗口的特点，将钠‑超临界二氧化碳换热器分为高温段和低温段，并在动力循环中设置二级分流，通过分流二氧化碳吸收低温段热量，实现了二回路和三回路换热温度窗口的良好匹配，解决了钠冷快堆超临界二氧化碳发电系统能量梯级高效利用的难题。

说明书

技术领域

本发明涉及高效核能发电技术领域，特别涉及一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统及方法。

背景技术

随着经济飞速发展，和电力减碳的需求，第四代核电技术受到了越来越多的关注。通常认为，第四代反应堆的堆芯温度可达500℃～900℃，较高的热源温度对动力循环和工质也提出了更高的新的要求。钠冷快堆(SFR)是六种四代堆中发展时间最长，技术最成熟的堆型，也是目前唯一经过现实工程验证的四代堆型。

超临界二氧化碳循环发电机组具有设备紧凑、热功转换效率高、系统简单和热源适用性广等优势，近年来成为新型动力循环发电的研究热点，被普遍认为在燃煤、光热、核能等发电领域具有广阔的应用前景。与传统的蒸汽朗肯循环相比，其在高参数条件下，效率优势明显，620℃等级的超临界二氧化碳发电机组即可达到700℃等级的超超临界水工质机组的效率。另外，超临界二氧化碳循环为真实气体闭式布雷顿循环，运行参数始终在二氧化碳临界点以上，由于工质流程短，全流程无相变，具备良好的深度调峰和快速调峰潜力。

因此，超临界二氧化碳布雷顿循环被广泛认为是第四代先进核电系统的理想发电循环。另外，采用超临界二氧化碳代替水工质，还可以有效的避免钠水反应对核反应堆安全的影响，大幅提升钠冷快堆发电系统的安全性。

钠冷快堆超临界二氧化碳发电系统中，二回路液态金属钠循环和三回路超临界二氧化碳动力循环是通过钠-超临界二氧化碳换热器进行换热的，两者换热温度窗口的良好匹配，是实现整个发电系统高效的关键所在。以目前我国某型钠冷快堆为例，堆芯入口钠温360℃，堆芯出口钠温530℃。其二回路入口钠温约310℃，二回路出口钠温495℃。由此可见，若将其和超临界二氧化碳动力循环进行匹配，钠-超临界二氧化碳换热器热侧温升约为185℃，而对于目前公认效率较高的分流再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环而言，其无极全流量近等温回热的特点决定了整个动力循环的平均吸热温度较高，吸热温度窗口较窄，通常约为100℃温升。这就使得三回路超临界二氧化碳动力循环的吸热温度与二回路液态金属钠的换热窗口匹配度较差，二回路液态金属钠得不到充分冷却，较低温度区间的热量无法得以充分利用，严重影响系统整体发电效率。

但是从公开的文献资料可知，虽然目前已有部分关于钠冷快堆超临界二氧化碳发电系统的研究，但是如何解决三回路超临界二氧化碳动力循环的吸热温度与二回路液态金属钠的换热窗口匹配度较差的问题，鲜有见到。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统及方法，通过综合考虑钠冷快堆二回路的液态金属钠的换热窗口和三回路超临界二氧化碳布雷顿循环吸热窗口的特点，将钠-超临界二氧化碳换热器分为高温段和低温段，并在二氧化碳布雷顿循环动力系统中设置二级分流，通过分流二氧化碳吸收低温段热量，实现了二回路和三回路换热温度窗口的良好匹配，解决了钠冷快堆超临界二氧化碳发电系统能量梯级高效利用的难题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统，包括一回路、二回路和三回路；所述一回路为反应堆14与钠-钠换热器13冷侧相连接构成的回路，二回路为钠-钠换热器13热侧与钠-超临界二氧化碳换热器12冷侧相连接构成的回路，所述三回路为含两级分流的超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统；所述一回路和二回路通过钠-钠换热器13进行热量交换，将反应堆14产生高温热量传递给二回路的液态金属钠；二回路和三回路通过钠-超临界二氧化碳换热器12进行热量交换；将热量继续传递给三回路的超临界二氧化碳。

所述含两级分流的超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统包括主压缩机1、主压缩机拖动透平2、主压缩机辅助电动机3、再压缩机4、再压缩机拖动透平5、再压缩机辅助电动机6、发电透平7、发电机8、预冷器9、低温回热器10、高温回热器11和钠-超临界二氧化碳换热器12；所述钠-超临界二氧化碳换热器12分为高温段12-1和低温段12-2；所述低温回热器10热侧超临界二氧化碳出口分为两路，一路经过预冷器9连通主压缩机1入口，主压缩机1出口连通低温回热器10冷侧入口，另一路连通再压缩机4入口；再压缩机4出口与低温回热器10冷侧出口汇合后，进行二级分流，一路连通高温回热器11冷侧入口，另一路连通钠-超临界二氧化碳换热器12的低温段12-2入口，高温回热器11冷侧出口与钠-超临界二氧化碳换热器12的低温段12-2汇合后连通钠-超临界二氧化碳换热器12的高温段12-1入口，钠-超临界二氧化碳换热器12的高温段12-1出口分成并联的三路，分别连通主压缩机拖动透平2、再压缩机拖动透平5和发电透平7后三路汇合为一路，再依次连通高温回热器11热侧和低温回热器10热侧。

所述三回路中，主压缩机1、主压缩机拖动透平2和主压缩机辅助电动机3同轴布置，再压缩机4、再压缩机拖动透平5和再压缩机辅助电动机6同轴布置，发电透平7和发电机8同轴布置。

所述三回路中，低温回热器10、高温回热器11采用印刷电路板式换热器(PCHE)，以实现超临界二氧化碳布雷顿循环大回热量条件下回热器的紧凑、高效和低阻；所述主压缩机1工作在二氧化碳的临界点附近，以保证三回路分流再压缩布雷顿循环拥有较高的循环效率。

所述的一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统的工作方法，反应堆14产生的热量将一回路液态金属钠加热，通过钠-钠换热器13将一回路液态金属钠的热量传递给二回路中的液态金属钠，随后通过钠-超临界二氧化碳换热器12再将二回路的热量传递给三回路的超临界二氧化碳；

在三回路中，低温回热器10热侧出口超临界二氧化碳进行一级分流并分为两路，一路超临界二氧化碳经过预冷器9冷却后由主压缩机1进行升压，升压后的超临界二氧化碳被送入低温回热器10冷侧进行加热，另一路超临界二氧化碳则直接进入再压缩机4升压；两路超临界二氧化碳在低温回热器10冷侧汇合后，进行二级分流，一路超临界二氧化碳进入高温回热器11冷侧进行加热，另一路超临界二氧化碳则进入钠-超临界二氧化碳换热器12的低温段12-2进行加热，两路超临界二氧化碳汇合后，进入钠-超临界二氧化碳换热器12的高温段12-1进行加热；产生的高温高压超临界二氧化碳分成并联的三路，分别进入主压缩机拖动透平2、再压缩机拖动透平5和发电透平7进行膨胀做功，三路排气汇合后，依次通过高温回热器11热侧和低温回热器10热侧进行降温；至此形成了含有两级分流的闭式动力循环。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统在具体操作时，通过综合考虑钠冷快堆二回路的液态金属钠的换热窗口和三回路超临界二氧化碳布雷顿循环吸热窗口的特点，将钠-超临界二氧化碳换热器分为高温段和低温段，并在动力循环中设置二级分流，通过分流二氧化碳吸收低温段热量，实现了二回路和三回路换热温度窗口的良好匹配，解决了钠冷快堆超临界二氧化碳发电系统能量梯级高效利用的难题。

附图说明

图1为本发明的整体系统图。

其中，1为主压缩机、2为主压缩机拖动透平、3为主压缩机辅助电动机、4为再压缩机、5为再压缩机拖动透平、6为再压缩机辅助电动机、7为发电透平、8为发电机、9为预冷器、10为低温回热器、11为高温回热器、12为钠-超临界二氧化碳换热器、13为钠-钠换热器、14为反应堆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统，包括主压缩机1、主压缩机拖动透平2、主压缩机辅助电动机3、再压缩机4、再压缩机拖动透平5、再压缩机辅助电动机6、发电透平7、发电机8、预冷器9、低温回热器10、高温回热器11、钠-超临界二氧化碳换热器12、钠-钠换热器13和反应堆14。其中反应堆14与钠-钠换热器13冷侧相连接构成的回路为一回路，钠-钠换热器13热侧与钠-超临界二氧化碳换热器12冷侧相连接构成的回路为二回路。

一回路和二回路通过钠-钠换热器13进行热量交换，将反应堆14产生高温热量传递给二回路的液态金属钠；二回路和三回路通过钠-超临界二氧化碳换热器12进行热量交换；将热量继续传递给三回路的超临界二氧化碳。

三回路由含两级分流的超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统构成，具体包括主压缩机1、主压缩机拖动透平2、主压缩机辅助电动机3、再压缩机4、再压缩机拖动透平5、再压缩机辅助电动机6、发电透平7、发电机8、预冷器9、低温回热器10、高温回热器11和钠-超临界二氧化碳换热器12。

钠-超临界二氧化碳换热器12分为高温段12-1和低温段12-2。

三回路中，所述低温回热器10热侧超临界二氧化碳出口分为两路，一路经过预冷器9连通主压缩机1入口，主压缩机1出口连通低温回热器10冷侧入口，另一路连通再压缩机4入口；再压缩机4出口与低温回热器10冷侧出口汇合后，进行二级分流，一路连通高温回热器11冷侧入口，另一路连通钠-超临界二氧化碳换热器12的低温段12-2入口，高温回热器11冷侧出口与钠-超临界二氧化碳换热器12的低温段12-2汇合后连通钠-超临界二氧化碳换热器12的高温段12-1入口，钠-超临界二氧化碳换热器12的高温段12-1出口分成并联的三路，分别连通主压缩机拖动透平2、再压缩机拖动透平5和发电透平7后三路汇合为一路，再依次连通高温回热器11热侧和低温回热器10热侧。

三回路中，主压缩机1、主压缩机拖动透平2和主压缩机辅助电动机3同轴布置，再压缩机4、再压缩机拖动透平5和再压缩机辅助电动机6同轴布置，发电透平7和发电机8同轴布置。

作为本发明的优选实施方式，所述低温回热器10、高温回热器11采用印刷电路板式换热器(PCHE)，以实现超临界二氧化碳布雷顿循环大回热量条件下回热器的紧凑、高效和低阻；所述主压缩机1工作在二氧化碳的临界点附近，以保证三回路分流再压缩布雷顿循环拥有较高的循环效率。

本发明的具体工作过程为：

反应堆14产生的热量将一回路液态金属钠加热，通过钠-钠换热器13将一回路液态金属钠的热量传递给二回路中的液态金属钠，随后通过钠-超临界二氧化碳换热器12再将二回路的热量传递给三回路的超临界二氧化碳。

在三回路中，低温回热器10热侧出口超临界二氧化碳进行一级分流并分为两路，一路超临界二氧化碳经过预冷器9冷却后由主压缩机1进行升压，升压后的超临界二氧化碳被送入低温回热器10冷侧进行加热，另一路超临界二氧化碳则直接进入再压缩机4升压。两路超临界二氧化碳汇合后，进行二级分流，一路超临界二氧化碳进入高温回热器11冷侧进行加热，另一路超临界二氧化碳则进入钠-超临界二氧化碳换热器12的低温段12-2进行加热，两路超临界二氧化碳汇合后，进入钠-超临界二氧化碳换热器12的高温段12-1进行加热。产生的高温高压超临界二氧化碳分成并联的三路，分别进入主压缩机拖动透平2、再压缩机拖动透平5和发电透平7进行膨胀做功，三路排气汇合后，依次通过高温回热器11热侧和低温回热器10热侧进行降温。至此形成了含有两级分流的闭式动力循环。

采用上述具体操作时，首先，综合考虑钠冷快堆二回路的液态金属钠的换热窗口和三回路超临界二氧化碳布雷顿循环吸热窗口的特点，将钠-超临界二氧化碳换热器分为高温段和低温段，另外，在动力循环中设置二级分流，通过分流二氧化碳吸收低温段热量，实现了二回路和三回路换热温度窗口的良好匹配，解决了钠冷快堆超临界二氧化碳发电系统能量梯级高效利用的难题。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。