一种液态金属传热汽轮发电机组及其工作方法与流程

本发明涉及一种液态金属传热汽轮发电机组及其工作方法，属于热力发电技术领域。

背景技术：

燃煤发电是我国主要的供电方式之一，在当前及今后相当长一段时期内仍将占据最大的发电量份额。为了实现燃煤发电厂提质增效和高质量发展，急需加快建设700℃等级先进超超临界汽轮发电机组。但是，700℃等级先进超超临界机组的高温部件需要采用新型的镍基高温材料制造，其价格十分昂贵，特别是主蒸汽管道和大型铸锻件的成本急剧上升，直接导致机组的造价过高，缺乏投资优势，国际上相关示范电站的建设计划均处于搁置状态。上述情况的核心问题在于高温部件材料的成本高，如何避免或减少贵重镍基材料的使用量是破解的关键。

在700℃等级先进超超临界汽轮发电机组中，主蒸汽管道是主要难题，主蒸汽管道尺寸大、长度长、用料多，在700℃等级运行，须使用新型镍基合金，成本非常高，并且这种管道的制造工艺技术尚未完全成熟。

技术实现要素：

本发明的目的是：更经济地实现700℃等级先进超超临界汽轮发电机组。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种液态金属传热汽轮发电机组，包括锅炉、主蒸汽管道及汽轮机，锅炉出口与主蒸汽管道的一端相连，其特征在于，还包括主蒸汽补热器，主蒸汽管道的另一端连接主蒸汽补热器的蒸汽侧进口，主蒸汽补热器的蒸汽侧出口连接至汽轮机，低于700℃温度等级的主蒸汽经由主蒸汽管道被送入主蒸汽补热器，由主蒸汽补热器将送入的主蒸汽温度补热到700℃等级后再送入汽轮机。

优选地，还包括液态金属传热回路，所述主蒸汽补热器的金属侧串入该液态金属传热回路，液态金属在液态金属传热回路内循环流动，由所述锅炉的烟气将液态金属加热气化为金属蒸气，金属蒸气在所述主蒸汽补热器内与主蒸汽换热，将低于700℃温度等级的主蒸汽补热到700℃等级的同时，重新冷凝成液态金属后再被所述锅炉的烟气气化，循环往复。

优选地，所述液态金属传热回路包括液态金属泵，液态金属泵的出口连接液态金属加热器进口，液态金属加热器布置于所述锅炉内，液态金属加热器的出口连接所述主蒸汽补热器的金属侧进口，主蒸汽补热器的金属侧出口连接冷却器的进口，冷却器的出口连接液态金属泵的进口。

优选地，还包括再热器，所述液态金属传热回路的金属蒸气同时送入再热器后，在再热器内与出所述汽轮机的蒸汽进行热交换，将蒸汽再热。

优选地，所述主蒸汽补热器和/或所述再热器采用双壳程u形管换热器，管程内通入所述金属蒸气，壳程内通入所述主蒸汽或所述蒸汽。

优选地，所述双壳程u形管换热器包括壳体及封头，壳体与封头之间设有管板，壳体与管板为蒸汽腔体，封头与管板之间为金属气腔体，壳体上设有与蒸汽腔体相通的蒸汽进口及蒸汽出口，封头上设有与金属气腔体相通的金属气进口及金属气出口，在蒸汽腔体内设有u形管，u形管的两端与金属气腔体相连通。

优选地，在所述蒸汽腔体内设有至少一层隔热罩，隔热罩与所述壳体及相邻隔热罩之间形成有间隙，在所述壳体上设有冷却蒸汽进口，冷却蒸汽由冷却蒸汽进口通入间隙后对所述壳体进行降温。

优选地，在所述蒸汽腔体及所述金属气腔体的中部设有壳内隔板。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的液态金属传热汽轮发电机组的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

液态金属泵将液态金属送入液态金属加热器，通过锅炉烟气将液态金属加热器内的液态金属加热，液态金属被气化为金属蒸气，金属蒸气输入主蒸汽补热器，将热量传递给低于700℃温度等级的主蒸汽，将主蒸汽补热到700℃等级的同时，金属蒸气冷凝成液态金属，液态金属经过冷却器冷却后回到液态金属泵，循环往复，与此同时，补热到700℃等级的主蒸汽进入汽轮机。

优选地，从所述液态金属传热回路中抽取一路金属蒸气通过再热器加热汽轮机的透平排汽，透平排汽被加热后再送入再热机组。

本发明提供的一种液态金属传热汽轮发电机组，通过在汽轮机前布置换热器，将较低温度等级的主蒸汽温度补热到700℃等级，此换热器之前的部件均可使用现有材料，从而解决上述问题。

与现有技术相比，本发明提供的液态金属传热汽轮发电机组具有如下有益效果：

1、本发明可以采用现有的超超临界电站(600℃/35mpa等级)材料制造锅炉、主蒸汽管道等部件，在主蒸汽补热器前面不需要使用镍基合金材料，主蒸汽补热器的壳体不需要使用镍基合金，传热管也可不使用镍基合金，主蒸汽补热器至汽轮机之间，包括汽轮机高温段，可能用到镍基合金，但用量有限，总体上机组的材料成本可大幅降低；

2、本发明的液态金属回路的内压为接近大气压的低压，对压力边界材料的强度要求很低，通常采用奥氏体不锈钢即可满足运行要求，所以也不需要使用高端材料。

3、本发明的液态金属在锅炉内加热气化，在主蒸汽补热器或再热器内冷凝，管内传热系数大，而管外容易采取强化传热手段(例如：用翅片扩展换热面)提高传热系数，则可获得高的总传热系数，从而实现紧凑换热器。

4、本发明的液态金属可选用钠，钠作为冷却剂用于核电快堆，钠也作为传热介质用于碟式聚光太阳能热发电装置，以及作为工质用于碱金属热电转换器，等等，这些应用均可为本发明的液态金属回路提供充分的运行经验，液态钠传热回路的成本可控。

5、本发明的液态金属回路也可用于蒸汽的再热，对于减少再热蒸汽管道长度和高端材料用量都十分有利。

附图说明

图1为液态金属传热汽轮发电机组系统锅炉和汽轮机部分的示意图，图中：

1-锅炉，2-主蒸汽管道，3-主蒸汽补热器，4-主蒸汽管道高温段，5-高压透平，6-一次再热蒸汽管道冷段，7-一次再热器，8-一次再热蒸汽管道热段，9-中压透平，10-二次再热蒸汽管道冷段，11-二次再热器，12-二次再热蒸汽管道热段，13-低压透平，14-钠泵，15-钠加热器，16-钠冷却器。

图2为主蒸汽补热器、一次再热器、二次再热器的双壳程u形管换热器示意图，图中：

21-冷却蒸汽进口，22-壳体，23-隔热罩，24-u形管，25-壳内隔板，26-蒸汽进口，27-蒸汽出口，28-管板，29-封头，30-封头内隔板，31-钠进口，32-钠出口。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供的液态金属传热汽轮发电机组，是在常规的汽轮发电机组上增加液态钠传热回路，高温钠蒸汽的凝结热在靠近高压透平、中压透平和低压透平的进汽口的主蒸汽补热器、一次再热器和二次再热器释放给主蒸汽、一次再热蒸汽和二次再热蒸汽。

如图1所示，锅炉1出口经主蒸汽管2道连接主蒸汽补热器3蒸汽侧进口，主蒸汽补热器3蒸汽侧出口经主蒸汽管道高温段4连接高压透平5进口，高压透平5出口经一次再热蒸汽管道冷段6连接一次再热器7蒸汽侧进口，一次再热器7蒸汽侧出口经一次再热蒸汽管道热段8连接中压透平9进口，中压透平9出口经二次再热蒸汽管道冷段10连接二次再热器11蒸汽侧进口，二次再热器11蒸汽侧出口经二次再热蒸汽管道热段12连接低压透平13进口。所述主蒸汽补热器3、一次再热器7、二次再热器11分别尽量靠近汽轮机的高压透平5、中压透平9、低压透平13布置。

钠泵14出口连接钠加热器15进口，钠加热器15布置于锅炉1内，钠加热器15出口分三路：第一路连接主蒸汽补热器3钠侧进口，第二路连接一次再热器7钠侧进口，第三路连接二次再热器11钠侧进口，主蒸汽补热器3、一次再热器7、二次再热器11钠侧出口汇合连接钠冷却器16钠侧进口，钠冷却器16钠侧出口连接钠泵14进口。

主蒸汽补热器3、一次再热器7、二次再热器11均为双壳程u形管换热器，壳体22顶部开有冷却蒸汽进口21，壳体22和u形管24之间靠近壳体22内壁附近设置隔热罩23，隔热罩23的蒸汽出口与壳体22的蒸汽进口26连通，隔热罩23的蒸汽出口与壳体22的蒸汽出口27不连通，隔热罩23上分布小孔以平衡两侧压差，壳体22中间设有壳内隔板25，蒸汽进口26和蒸汽出口27位于壳内隔板25两侧，u形管24穿过管板28，管板28与壳体和封头29连接，封头29中间设有封头内隔板30，封头29的钠进口31和钠出口32位于封头内隔板30两侧。

上述液态金属传热汽轮发电机组的具体实施步骤如下：

钠泵14将钠送入钠加热器15，通过锅炉1烟气加热至780℃的饱和钠蒸气，其中第一路钠蒸气输入主蒸汽补热器3，将热量传递给蒸汽，并凝结成液态，钠经过冷却器16进一步冷却后回到钠泵14，锅炉1的一股给水作为冷却器16的冷却介质。来自锅炉1的600℃/35mpa蒸汽经主蒸汽管道2进入主蒸汽补热器3，被加热至750℃，然后经主蒸汽管道高温段4进入高压透平5，高压透平5排汽经一次再热蒸汽管道冷段6进入一次再热器7，来自钠加热器15的钠蒸汽的第二路加热一次再热蒸汽，蒸汽经一次再热蒸汽管道热段8进入中压透平9，中压透平9排汽经二次再热蒸汽管道冷段10进入二次再热器11，来自钠加热器15的钠蒸汽的第三路加热二次再热蒸汽，蒸汽经二次再热蒸汽管道热段12进入低压透平13。

在主蒸汽补热器3、一次再热器7、二次再热器11的双壳程u形管换热器内，来自机组系统内的一股低温蒸汽经冷却蒸汽进口21进入壳体22与隔热罩23之间的空隙，壳体22壁温保持500℃以下以便使用较低成本的铁素体钢，冷却蒸汽与从蒸汽进口26进入的蒸汽汇合进入壳内隔板25一侧与u形管24换热，u形管承受蒸汽外压，可采用高铬高镍的奥氏体不锈钢厚壁管，u形管可通过翅片和折流板强化传热，再进入壳内隔板25另一侧与u形管24换热，加热后的蒸汽从蒸汽出口27排出，高温钠蒸汽从钠进口31进入封头29的封头内隔板30一侧，穿过u形管24并换热，然后到达封头29的封头内隔板30另一侧，从钠出口32排出。在双壳程u形管换热器内，蒸汽与钠流动方向为逆流，有利于减少换热面积。

根据上述实施例，机组可达到700℃等级超超临界参数，并且不需要使用大量的镍基合金材料，液态金属传热回路中的泵耗功较小不会显著影响机组效率，在700℃等级参数下，本发明的汽轮发电机组可实现预期发电效率。