布雷顿循环核电站以及启动布雷顿循环的方法

摘要

一种核电站，该核电站包括一个闭合循环发电回路，其利用布雷顿循环作为热力学转换循环。该核电站还包括启动增压系统，该系统具有轴阀，以及与该轴阀并联连接的增压器。而且，常闭增压器隔离阀与增压器以及与该增压器并联的增压器旁路结构串联设置。一种启动布雷顿循环的方法包括：将发电回路切换到备用模式，在该模式下，氦依靠启动增压系统和在回路中所产生的增加的电能而环绕发电回路循环，直到氦依靠独立于启动增压系统的压缩机而围绕发电回路循环。

说明书

本发明涉及一种核电站。特别是，其涉及一种利用布雷顿循环作为热力学转换循环的核电站，并涉及一种启动布雷顿循环的方法。

在包括一个闭合循环发电回路的核电站中，该发电回路利用布雷顿循环作为热力学转换循环，它所遇到的一个问题在于，布雷顿循环不是从零质量流量自行启动。

根据本发明的一个方面，在使用氦作为工作流体并具有闭合循环发电回路的核电站中，其中该发电回路利用布雷顿循环作为热力学转换循环，并包括具有入口和出口的核反应堆；透平装置，该透平装置的上游侧连接到反应堆出口；至少一个压缩机，透平装置传动地连接于其上；以及至少一个热交换器，提供了一种启动布雷顿循环的方法，该方法包括下述步骤：

如果发电回路不处于备用模式，则将其切换到备用模式，在该模式下，氦依靠启动增压系统环绕发电回路循环；以及

增加在发电回路中所产生的电能，直到至少一个压缩机能够不依靠启动增压系统的帮助而使氦在发电回路中环绕。

当该核电站包括发电机并且透平装置包括传动上连接到发电机的发电透平时，该方法可以包括下述步骤：

向发电透平施加负载，并调节发电透平的转速，使其转速低于发电透平的正常运转转速；

减少所施加的负载，以使发电透平的转速增加到发电透平的正常运转转速；

使发电机的输出与配电网同步；

当发电机输出与电网保持同步时，增加发电透平的电力输出。

可以通过连接到发电机的可变电阻器组向发电透平施加负载。

通过减少可变电阻器组的电阻可以实现减少所施加的负载。

该方法可以包括，在发电机输出已经与配电网同步并且发电回路已经稳定后，将可变电阻器组与发电机断开。

减少所施加的负载可以包括将负载从约1MW减少到约300MW。

该方法可以包括调节发电透平的转速到正常运转转速的55％到65％之间。

当发电透平的正常运转转速为3000rpm时，该方法可以包括调节发电透平的转速到约1800rpm。

当发电回路包括低压压缩机和高压压缩机，而透平装置包括分别传动上连接到低压压缩机和高压压缩机的低压透平和高压透平，并且发电回路包括其中安装有低压再循环阀的低压再循环管线，以及其中安装有高压再循环阀的高压再循环管线，低压和高压再循环管线分别从低压和高压压缩机的下游位置延伸到其上游位置，在此情形下，该方法可以包括利用低压和高压再循环阀中的至少一个来稳定发电回路。

当发电回路包括同流换热器，该同流换热器具有高压侧和低压侧，从同流换热器高压侧的上游位置延伸到下游位置的同流换热器旁路管线，以及安装在同流换热器旁路管线中用于调节流经其中的氦流量的同流换热器旁路阀，在此情形下，增加由发电回路所发电能可以包括将同流换热阀中的至少一个和旁路阀从开启位置移向关闭位置。阀的关闭导致布雷顿循环的效率的明显增加。

一旦启动，布雷顿循环可以自保持，而发电回路中氦的循环将由压缩机实现。

该方法可以包括在布雷顿循环变为自保持的时候关闭该启动增压系统。一种用于确定布雷顿循环何时变为自保持的方法，是当启动增压系统两侧的压差降到低于预定压差以下时，通常，该预定压差为20kPa。

启动增压系统可以包括，并联的至少一个增压器和启动增压系统轴阀，以及与增压器相串联的增压器隔离阀。在备用模式，发电回路这样构造，以使得启动增压器轴阀关闭，该增压器或每个增压器隔离阀开启，并且该增压器或每个增压器都运行。于是，增压器使氦在发电回路中循环。关闭启动增压系统可以包括启动增压系统轴阀的开启，增压器的停止运转以及增压器隔离阀的关闭。

根据本发明的另一个方面，提供了一种核电站，其包括：

闭合循环发电回路；以及

启动增压系统，该系统包括

常开轴阀；

至少一个与轴阀并联连接的增压器；

与该或各个增压器串联的常闭增压器隔离阀；以及

与该或每个增压器并联的增压器旁路装置。

闭合循环发电回路可以包括具有入口和出口的核反应堆，其上游侧连接到反应堆出口的透平装置，具有低压侧和高压侧并且其每侧都具有入口和出口的同流换热器，透平装置传动上与其连接的至少一个压缩机，以及至少一个热交换器，闭合循环发电回路被设置为利用布雷顿循环作为热力学转换循环，该核电站还包括透平装置传动上与其连接的发电机，以及以可断开的方式与该发电机相连接的可变电阻器组。

发电回路可以包括高压压缩机和低压压缩机，透平装置，该透平装置包括与高压压缩机传动上相连接的高压透平，与低压压缩机传动上相连接的低压透平，以及与发电机传动上相连接的发电透平。

发电回路可以包括连接在同流换热器低压侧出口和低压压缩机入口之间的预冷却器，以及连接在低压压缩机出口和高压压缩机入口之间的中间冷却器。

启动增压系统可以设置于同流换热器低压侧和预冷却器之间。

发电回路可以包括其中安装有低压再循环阀的低压压缩机循环管线，低压再循环管线从低压压缩机下游侧和中间冷却器入口之间的位置延伸到启动增压系统和预冷却器入口之间的位置。

发电回路可以包括其中安装有高压压缩机再循环阀的高压压缩机再循环管线，该管线从高压压缩机下游侧和同流换热器高压侧入口之间的位置延伸到低压压缩机出口和中间冷却器入口之间的位置。

发电回路可以包括其中安装有同流换热器旁路阀的同流换热器旁路管线，该同流换热器旁路管线从同流换热器高压侧入口的上游位置延伸到同流换热器高压侧出口的下游位置。

发电回路还可以包括高压冷却剂阀和低压冷却剂阀，高压冷却剂阀被构造为在其开启时提供从高压压缩机高压侧到低压透平入口的氦的旁路，而低压冷却剂阀被构造为提供从高压压缩机高压侧到发电透平入口的氦的旁路。

该反应堆可以是利用球形燃料元件的球床型。

启动增压系统可以包括两个与启动增压器轴阀并联的增压器以及一个与各增压器相关联的增压器隔离阀。

增压器旁路阀用于避免增压器的压力骤增。

在备用模式下，同流换热器旁路阀运行以将反应堆入口温度保持在一个这样的水平，以使得启动增压系统的出口温度低于预定温度，通常，该预定温度为250℃。高压冷却剂阀和低压冷却剂阀运行以确保同流换热器的最高温度保持在预定温度之下，通常，该预定温度为600℃。高压压缩机再循环阀和低压压缩机再循环阀运行以调节发电透平所产生的电能。

而且，反应堆出口温度被调节到750℃和900℃之间的温度。预冷却器和中间冷却器确保进入低压和高压压缩机的氦处于大约30℃的温度。在发电回路中氦的压力保持在20到50bar之间。

本发明将在此参考所附简图、以示例的方式进行说明。该图示出了根据本发明的核电站的示意表示图。

在附图中，参考标号10表示根据本发明的核电站的一部分。

核电站10包括以参考标号12表示的闭合循环发电回路。发电回路12包括反应堆14，高压透平16，低压透平18，发电透平20，同流换热器22，预冷却器24，低压压缩机26，中间冷却器28以及高压压缩机30。

反应堆14为使用球状燃料元件的球床型反应堆。反应堆14具有入口14.1，通过该入口氦形式的工作流体能够被引入反应堆14和出口14.2。

高压透平16传动上连接到高压压缩机30，并具有上游侧或入口16.1以及下游侧或出口16.2，入口16.1连接到反应堆14的出口14.2。

低压透平18传动上连接到低压压缩机26，并具有上游侧或入口18.1以及下游侧或出口18.2。入口18.1连接到高压透平16的出口16.2。

发电透平20传动上连接到发电机32。发电透平20包括上游侧或入口20.1以及下游侧或出口20.2。发电透平20的入口20.1连接到低压透平18的出口18.2。

该核电站还包括可变电阻器组33，该可变电阻器组以可断开的方式连接到发电机32。

同流换热器22具有热或低压侧34以及冷或高压侧36。同流换热器34的低压侧具有入口34.1和出口34.2。低压侧的入口34.1连接到发电透平20的出口20.2。

预冷却器24为氦—水热交换器并包括氦入口24.1和氦出口24.2。预冷却器24的入口24.1连接到同流换热器22的低压侧34的出口34.2。

低压压缩机26具有上游侧或入口26.1以及下游侧或出口26.2。低压压缩机26的入口26.1连接到预冷却器24的氦出口24.2。

中间冷却器28为氦—水热交换器，并包括氦入口28.1和氦出口28.2。氦入口28.1连接到低压压缩机26的出口26.2。

高压压缩机30包括上游侧和入口30.1以及下游侧或出口30.2。高压压缩机30的入口30.1连接到中间冷却器28的氦出口28.2。高压压缩机30的出口30.2连接到同流换热器22高压侧的入口36.1。同流换热器22高压侧的出口36.2连接到反应堆14的入口14.1。

核电站10包括由参考标号38表示的启动增压系统，该系统连接到同流换热器22低压侧34的出口34.2和预冷却器24的入口24.1之间。

启动增压系统38包括常开启动增压系统轴阀40，该阀连接在同流换热器低压侧出口34.2和预冷却器24的入口24.1之间的管线中。两个增压器42与启动增压系统轴阀40并联连接，而常闭隔离阀44与各增压器42相关联并与各增压器串联连接。另外，增压器旁路阀装置45与各增压器44相关联并与各增压器并联连接。每个增压器旁路阀装置45可以包括一个或多个能够被独立地控制的旁路阀。应当理解，增压器旁路阀装置45能够由用于两个增压器的一个单个的阀构成。

低压压缩机再循环管线46从低压压缩机26的出口或下游侧26.2和中间冷却器28的入口28.1之间的位置延伸到启动增压系统38和预冷却器24的入口24.1之间的位置。常闭低压再循环阀48安装在低压压缩机再循环管线46中。

高压压缩机再循环管线50从高压压缩机的出口或下游侧30.2和同流换热器22高压侧36的入口36.1之间的位置延伸到低压压缩机26的出口或下游侧26.2和中间冷却器28的入口28.1之间的位置。常闭高压再循环阀51安装在高压压缩机再循环管线50中。

同流换热器旁路管线52从同流换热器22高压侧36入口36.1的上游位置延伸到同流换热器22高压侧36出口36.2的下游位置。常闭同流换热器旁路阀54安装在同流换热器旁路管线52中。

核电站10包括高压冷却剂阀56和低压冷却剂阀58。高压冷却剂阀56被构造为当其开启时提供从高压压缩机30的高压侧或出口30.2到低压透平18的入口或低压侧18.1的氦的旁路。低压冷却剂阀58被构造为，当其开启时，提供从高压压缩机30的高压侧或出口30.2到发电透平20的入口20.1的氦的旁路。

发电回路12被构造为工作在作为热力学转换循环的布雷顿循环中。当布雷顿循环运行时，发电回路中的循环流量由压缩机26、30提供。

在应用中，为启动布雷顿循环，通过启动增压系统38获得环绕发电回路的质量流量。更具体地说，启动增压系统轴阀40关闭，隔离阀44开启而增压器42运行。在增压器42运行时，利用增压器旁路阀装置45以避免增压器42的压力骤增。

在开始启动布雷顿循环的操作之前，如果发电回路没有处于备用模式，其将被切换到备用模式。备用模式的主要特征是增压器42在运行。

为降低损坏增压器42的风险，重要的是将增压器中的最高温度保持在预定温度以下，典型地，该预定温度为250℃。基于此种考虑，运行同流换热器旁路阀54，以控制堆芯入口温度，并因此间接地控制启动增压系统38的最高温度。另外，如上述提及的，增压器旁路阀装置45用来避免增压器44的压力骤增，并从而把对其造成损坏的风险减到最小。

而且，为调节同流换热器22中的最高温度，运行高压冷却剂再循环阀56和低压冷却剂再循环阀58中的一个或两个，以确保同流换热器中的最高温度保持在预定温度以下，典型地，该预定温度为600℃。

而且，在发电透平中产生的电能通常由运行高压再循环阀51和/或低压再循环阀48控制，以使得电能不超出预定水平，例如1MW，而发电透平20的转速被转速控制器调节在正常运转转速以下，即，典型地为30赫兹。

反应堆14的出口温度由反应堆出口温度控制器调节到处于750℃和900℃之间的一个温度。

预冷却器24和中间冷却器28在其正常运转模式其作用为，确保了低压压缩机26和高压压缩机30的入口温度大致在30℃。

而且，发电回路中的压力水平处在20bar和50bar之间。

为启动布雷顿循环，在上述提及的处于其备用模式的核电站中，使用高压再循环阀和低压再循环阀控制由发电机产生的电能，可变电阻器组33连接到发电机32。转速控制器将透平转速控制在透平的正常运转转速以下的一个转速，即，大约30赫兹。

当条件稳定时，可变电阻器组33的电能从大约1MW降至大约300kW。在电能上的这一减少导致透平20转速的升高，并因而使发电机32的转速升高。当透平20达到预期运转转速时，典型地，该预期运转转速为50赫兹，可变电阻器组的电能再一次增加到预定水平，典型地为1MW，而透平转速被转速控制器控制在50赫兹。

在情况稳定后，执行使发电机输出与电网同步的操作。

较短时间后，通常大约10分钟，在系统与电网同步并稳定后，转速控制器关闭，也就是说，可变电阻器组从发电机32断开而再循环阀开始关闭。更具体地说，低压再循环阀48和高压再循环阀51和同流换热器旁路阀54一起关闭。在此过程中，在通过关闭再循环阀48、51而使布雷顿循环的性能明显改善的同时，发电透平20的输出增加。

在上述一个程序性步骤中，根据系统中的压力和温度，将启动布雷顿循环并接管启动增压系统38的压缩机功能。

典型地，当启动增压系统两侧的压差(出口压力减去入口压力)降低到预定水平以下，通常，该预定水平为20kPa，布雷顿循环的压缩机功能可以自保持。在布雷顿循环自保持之后，启动增压系统将关闭。

上述过程的一个重要特征在于，布雷顿循环的实际启动可以发生在执行上述过程中的任何时刻。它不影响该系统其它的过程步骤的执行，而系统表现也不会受到真正影响。