一种钍基熔盐堆超临界二氧化碳发电系统及其操作方法

1.本发明属于核能发电领域，特别涉及一种钍基熔盐堆超临界二氧化碳发电系统及其操作方法。


背景技术：

2.钍基熔盐堆是第四代反应堆之一，在固有安全性、经济性以及核资源可持续发展等方面具有优势，能够实现较高的热功率密度及运行温度。
3.目前，针对上述新型熔盐堆的二回路热力发电循环系统的利用探索还不够，直接采用针对传统熔盐堆的水蒸汽循环系统，往往存在以下问题：
4.1)常规的水蒸汽循环系统包括冷凝器等装置，体积较大，导致系统占地面积较大；
5.2)常规的水蒸汽循环系统需要大量的水资源，与钍基熔盐堆适用于内陆环境的优点相冲突；
6.3)钍基熔盐堆的运行温度较高，采用水蒸汽循环系统的发电效率较低，难以完全利用高温热量。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种钍基熔盐堆超临界二氧化碳发电系统及其操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的系统，能够实现高温核能热量的梯级利用，提升核能利用二回路的发电效率；可提升系统紧凑度并降低水资源需求。
8.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
9.本发明提供的一种钍基熔盐堆超临界二氧化碳发电系统，包括：钍基熔盐堆、第一透平、第二透平、第一换热器、第二换热器、第一冷却器、第一压缩机、第三透平、第三换热器以及冷却压缩模块；
10.所述钍基熔盐堆用于输入待换热的超临界二氧化碳，热交换后输出升温后的超临界二氧化碳；
11.所述钍基熔盐堆的出口与所述第一透平的进口相连通，所述第一透平的出口与所述第二透平的进口相连通；
12.所述第二透平的出口依次经所述第一换热器的热流通道、所述第二换热器的热流通道以及所述第一冷却器与所述第一压缩机的进口相连通，所述第一压缩机的出口依次经所述第二换热器的冷流通道以及所述第一换热器的冷流通道与所述第三透平的进口相连通；
13.所述第三透平的出口依次经所述第三换热器的热流通道以及所述冷却压缩模块与所述钍基熔盐堆的进口相连通。
14.本发明系统的进一步改进在于，还包括：
15.第二压缩机，所述第二压缩机的进口与所述第二换热器的热流通道的出口相连通，所述第二压缩机的出口与所述第一换热器的冷流通道的进口相连通。
16.本发明系统的进一步改进在于，所述第一压缩机的压比、所述第二压缩机的压比与所述第三透平的膨胀比相同。
17.本发明系统的进一步改进在于，还包括：第四透平、第四冷却器和第五压缩机；
18.其中，所述第三换热器的冷流通道的出口依次经所述第四透平、所述第四冷却器以及所述第五压缩机与所述第三换热器的冷流通道的进口相连通。
19.本发明系统的进一步改进在于，流经所述第四透平、所述第四冷却器、所述第五压缩机以及所述第三换热器的冷流通道的工质为空气、氮气r123、r245fa或异戊烷。
20.本发明系统的进一步改进在于，所述冷却压缩模块包括：第二冷却器、第三压缩机、第三冷却器和第四压缩机；
21.所述第三换热器的热流通道的出口依次经所述第二冷却器、所述第三压缩机、所述第三冷却器和所述第四压缩机与所述钍基熔盐堆的进口相连通。
22.本发明系统的进一步改进在于，所述钍基熔盐堆输出的升温后的超临界二氧化碳的温度在750℃以上。
23.本发明系统的进一步改进在于，所述第二透平的出口输出的做功后的超临界二氧化碳的温度在400℃以上。
24.本发明系统的进一步改进在于，所述第三透平的出口输出的做功后的超临界二氧化碳的温度在200℃以上。
25.本发明提供的一种钍基熔盐堆超临界二氧化碳发电系统的操作方法，包括以下步骤：
26.将超临界二氧化碳输入钍基熔盐堆内吸收熔盐堆所产生的热量升温，输出升温后的超临界二氧化碳；
27.所述升温后的超临界二氧化碳输入第一透平进行第一次膨胀做功；一次膨胀做功后的超临界二氧化碳输入第二透平进行第二次膨胀做功；二次膨胀做功后的超临界二氧化碳依次输入第一换热器以及第二换热器释放热量；所述第二换热器输出的释放热量后的超临界二氧化碳经第一冷却器冷却后，输入第一压缩机进行压缩再输入第二换热器进行一次吸热，一次吸热后的超临界二氧化碳输入第一换热器进行二次吸热；
28.二次吸热后的超临界二氧化碳输入第三透平进行第三次膨胀做功，三次膨胀做功后的超临界二氧化碳输入第三换热器释放热量；所述第三换热器输出的释放热量后的超临界二氧化碳输入冷却压缩模块，冷却压缩后的超临界二氧化碳输入钍基熔盐堆，完成循环。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
30.本发明提供的钍基熔盐堆超临界二氧化碳发电系统，能够实现高温核能热量的梯级利用，提升整体系统的发电效率以及紧凑度，并降低系统水资源需求。具体解释性的，本发明设置有多组换热器及透平以实现能量梯级利用以提升系统发电效率；以超临界二氧化碳为主要工质，以保证系统部件的简化，占地面积小，提升系统紧凑度；用换热器回收热量等形式代替常规的系统冷却器，能够保障系统发电效率不下降同时降低系统水资源需求。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的
一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1是本发明实施例的一种适用钍基熔盐堆的钍基熔盐堆超临界二氧化碳发电系统的示意图；
33.图1中，1、钍基熔盐堆；2、第一透平；3、第二透平；4、第一换热器；5、第二换热器；6、第一冷却器；7、第一压缩机；8、第二压缩机；9、第三透平；
34.10、第三换热器；11、第二冷却器；12、第三压缩机；13、第三冷却器；14、第四压缩机；15、第四透平；16、第四冷却器；17、第五压缩机。
具体实施方式
35.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
36.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
37.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
38.请参阅图1，本发明实施例的一种适用钍基熔盐堆的钍基熔盐堆超临界二氧化碳发电系统，包括：钍基熔盐堆1、第一透平2、第二透平3、第一换热器4、第二换热器5、第一冷却器6、第一压缩机7、第二压缩机8、第三透平9、第三换热器10、第二冷却器11、第三压缩机12、第三冷却器13、第四压缩机14、第四透平15、第四冷却器16和第五压缩机17。
39.其中，钍基熔盐堆1的出口连接至第一透平2的进口，第一透平2的出口连接至第二透平3的进口，第二透平3的出口与第一换热器4的第一进口相连接，第一换热器4的第一出口连接至第二换热器5的第一进口，第二换热器5的第一出口连接至第一冷却器6的进口，第一冷却器6的出口与第一压缩机7的进口相连接，第一压缩机7的出口连接至第二换热器5的第二进口，第二换热器5的第二出口与第一换热器4的第二进口相连接，第一换热器4的第二出口连接至第三透平9的进口；
40.第三透平9的出口与第三换热器10的第一进口相连，第三换热器10的第一出口连接至第二冷却器11的进口，第二冷却器11的出口连接至第三压缩机12的进口，第三压缩机12的出口与第三冷却器13的进口相连接，第三冷却器13的出口连接至第四压缩机14的进口，第四压缩机14的出口连接至钍基熔盐堆1的进口。
41.本发明实施例优选的，第二换热器5的第一出口还与第二压缩机8的进口相连，第二压缩机8的出口连接至第一换热器4的第二进口。解释性的，由于超临界二氧化碳在低温
区比热容变化剧烈，这样设置能够有效避免第二换热器5中由于冷热流体比热容差异造成的换热恶化现象。
42.本发明实施例进一步优选的，第三换热器10的第二出口连接至第四透平15进口，第四透平15出口连接至第四冷却器16进口，第四冷却器16出口连接至第五压缩机17进口，第五压缩机17出口连接至第三换热器10第二进口。解释性的，空气经过第五压缩机17压缩后进入第三换热器10第二进出口吸收超临界二氧化碳热量，此后进入第四透平15进行做功，再经过第四冷却器16冷却后回到第五压缩机17的进口。
43.本发明实施例具体示例性的，第二透平3的出口压力与第三透平9的出口压力相近，确保第二透平3能够充分利用外界输入第三压缩机12与第三压缩机14的能量；具体的，第一压缩机7、第二压缩机8的压比与第三透平9的膨胀比相近，确保第三透平9能够充分利用外界输入第一压缩机7与第二压缩机8的能量，并维持系统的稳定运行；进一步具体的，流经第五压缩机17、第三换热器10、第四透平15及第四冷却器16的工质可以是空气、氮气等常规气体或者r123、r245fa等低沸点有机工质(具体的，沸点低于50℃的有机工质)。
44.本发明实施例的一种适用钍基熔盐堆的钍基熔盐堆超临界二氧化碳发电系统，其工作流程主要包括：
45.高压的超临界二氧化碳首先进入钍基熔盐堆1吸收熔盐反应堆所产生的热量升温，此后进入第一透平2进行第一次膨胀做功，接着进入第二透平3进行第二次膨胀做功，做功后的超临界二氧化碳进入第一换热器4以及第二换热器5释放热量；
46.此后超临界二氧化碳分流，一部分经第一冷却器6冷却为临界点(31.2℃，7.38mpa)附近(示例性的，比如32℃，7.4mpa)，接着进入第一压缩机7完成压缩再流入第二换热器5的第二进口并吸收换热器传来的热量；另一部分不冷却直接进入第二压缩机8进行压缩再与第二换热器5的第二出口的超临界二氧化碳汇流；
47.再后超临界二氧化碳流经第一换热器4的进出口并吸收第二透平3出口二氧化碳的热量，再进入第三透平9进行第三次膨胀做功，做功后的超临界二氧化碳流经第三换热器10第一进出口释放热量；超临界二氧化碳进入第二冷却器11进行冷却再进入第三压缩机12完成压缩，此后再进入第三冷却器13冷却后进行第四压缩机14进行压缩，接着回到钍基熔盐堆1的进口完成循环。
48.本发明实施例方法优选的，钍基熔盐堆出口处二氧化碳的温度不低于750℃，压力不低于50mpa。第二透平出口与第三透平出口压力不低于临界压力7.38mpa。
49.本发明实施例的适用钍基熔盐堆的钍基熔盐堆超临界二氧化碳发电系统中，在钍基熔盐堆出口常具有750℃以上的高温，以及50mpa以上的高压力，设置第一透平以及第二透平分级膨胀，能够实现对钍基熔盐堆出口工质带有的热量、压力能的充分梯级利用。
50.本发明实施例中，第二透平出口仍有400℃以上的高温，因此设置第一换热器与第二换热器对热量进行回收，设置第一压缩机、第二压缩机与第三透平对回收的热量进行利用；再有，第三透平出口仍有200℃以上的高温，因此设置第三换热器对热量进行回收，设置第五压缩机与第四透平对回收的热量进行利用。由此实现能量的梯级利用，有效提升系统发电效率。
51.本发明实施例进一步优选的，在钍基熔盐堆出口的温度压力下(750℃，50mpa)，二氧化碳的密度约为228.56kg/m3，远大于该参数下水的密度(118.82kg/m3)。
52.相同质量流量下采用二氧化碳作为工质，能够减小系统设备尺寸，尤其可以减小第一透平以及第二透平的尺寸，有效降低系统占地面积，大大降低制造难度与成本。
53.综上所述，本发明实施例提供了一种适用钍基熔盐堆的超临界二氧化碳热力循环系统，能够实现钍基熔盐堆热量的高效利用，且能够降低系统紧凑度以及水资源需求。具体的，本发明设置有多组换热器及透平以实现能量梯级利用以提升系统发电效率；以超临界二氧化碳为主要工质，以保证系统部件的简化，占地面积小，提升系统紧凑度；用换热器回收热量等形式代替常规的系统冷却器，能够保障系统发电效率不下降同时降低系统水资源需求。
54.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。