耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统及方法技术方案

本发明专利技术公开耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统及方法，包括反应堆回路子系统与熔盐储能子系统；反应堆回路子系统包括气冷微堆，气冷微堆出口经氦气

【技术实现步骤摘要】
耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统及方法


[0001]本专利技术涉及核能发电
，特别涉及一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统及方法。

技术介绍

[0002]核电是大规模可持续发展的主要绿色能源之一，能够调整能源结构，解决能源短缺和全球变暖问题。核电未来的发展趋势是模块化和小型化。气冷微堆是一种具有第四代核电特征的微型氦气气冷的反应堆堆型，具有能量密度高、功率水平低、结构简单、布局灵活、续航时间长的特点，可模块化设计与建造，为远离主电网的军事基地等场景的孤岛运行智能供电。
[0003]采用超临界二氧化碳作为工质的布雷顿循环发电技术，与传统的以水和蒸汽作为工质的朗肯循环发电方式相比，具有效率高、灵活性好、适用性广、设备和系统体积小等优势，是热力发电领域的一种变革性低碳发电技术。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。
[0004]熔盐储能技术利用熔盐材料蓄热和放热，与功率不稳定热源系统的结合可实现热量存续储能和热量释放发电。因此，熔盐储能可以作为匹配孤岛运行场景堆型的中间储能技术。
[0005]若基于目前核电站中核反应堆与发电系统的连接方式，直接使用中间换热器实现气冷微堆直接连接发电系统，则该发电系统的孤岛运行能力存在无功补偿控制手段不足的缺点，这会造成发电系统的静态和动态稳定性相对联网电力系统较差，从而导致发电品质较差。另外，对于传统能量转换系统的动力循环如蒸汽朗肯循环，由于水蒸气的相变和低密度特性造成发电系统庞杂、控制过程迟缓，无法满足小型可移动式反应堆对结构尺寸小、重量轻、控制灵活的设计需求；蒸汽朗肯循环也无法为具有高温热源出口温度的气冷微堆提供较高的能源转换效率。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统及方法，该系统通过熔盐储能子系统的蓄热和放热功能，解决反应堆在变化应用场景下能量输出不稳定问题，确保超临界二氧化碳布雷顿循环回路主气参数的稳定性，提高发电品质。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统，包括相连的反应堆回路子系统、熔盐储能子系统以及具有不同构型的超临界二氧化碳布雷顿循环子系统；
[0009]反应堆回路子系统包括气冷微堆、第一分流装置、第一合流装置、高温氦气
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超临界二氧化碳换热器、第二分流装置、第二合流装置、低温氦气
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超临界二氧化碳换热器以及氦气
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熔盐换热器；其中，气冷微堆出口与第一分流装置入口连接，第一分流装置第一出口
与第一合流装置第一入口连接，第一分流装置第二出口通过氦气
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熔盐换热器氦气侧与第一合流装置第二入口连接，第一合流装置出口与高温氦气
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超临界二氧化碳换热器氦气侧入口连接，高温氦气
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超临界二氧化碳换热器氦气侧出口与第二分流装置入口连接，第二分流装置第一出口与第二合流装置第一入口连接，第二分流装置第二出口通过低温氦气
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超临界二氧化碳换热器氦气侧与第二合流装置第二入口连接，第二合流装置出口与气冷微堆入口连接；氦气
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熔盐换热器熔盐侧与熔盐储能子系统相连，低温氦气
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超临界二氧化碳换热器以及高温氦气
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超临界二氧化碳换热器超临界二氧化碳侧均与超临界二氧化碳布雷顿循环子系统相连。
[0010]本专利技术进一步的改进在于，熔盐储能子系统包括低温熔盐罐、低温熔盐阀、低温熔盐泵、第三合流装置、第三分流装置、高温熔盐罐、高温熔盐阀以及高温熔盐泵；其中，氦气
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熔盐换热器熔盐侧出口与第三分流装置连接，第三分流装置第二出口通过低温熔盐罐、低温熔盐阀、低温熔盐泵与第三合流装置第一入口连接，第三分流装置第一出口通过高温熔盐罐、高温熔盐阀、高温熔盐泵与第三合流装置第二入口连接，第三合流装置出口与氦气
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熔盐换热器熔盐侧入口连接。
[0011]本专利技术进一步的改进在于，超临界二氧化碳布雷顿循环子系统包括透平、低温回热器、高温回热器、第四分流装置、预冷器、主压缩机、分流阀、再压缩机、第四合流装置、第五分流装置、再分流阀、第五合流装置以及电机；其中，高温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器超临界二氧化碳侧出口与透平入口连接，透平出口经过低温回热器热侧和高温回热器热侧与第四分流装置入口连接，第四分流装置第一出口通过预冷器热侧、主压缩机、高温回热器冷侧与第四合流装置第一入口连接，第四分流装置第二出口通过分流阀、再压缩机与第四合流装置第二入口连接，第四合流装置出口与第五分流装置入口连接，第五分流装置第一出口通过低温回热器冷侧与第五合流装置第一入口连接，第五分流装置第二出口通过再分流阀、低温氦气
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超临界二氧化碳换热器超临界二氧化碳侧与第五合流装置第二入口连接，第五合流装置出口与高温氦气
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超临界二氧化碳换热器超临界二氧化碳侧入口连接。
[0012]本专利技术进一步的改进在于，透平、主压缩机与再压缩机同轴布置。
[0013]本专利技术进一步的改进在于，所述氦气
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熔盐换热器、高温氦气
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超临界二氧化碳换热器、低温氦气
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超临界二氧化碳换热器、低温回热器、高温回热器、预冷器采用印刷电路板式换热器。
[0014]一种基于如上所述的耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统的能量转化方法，包括以下步骤：
[0015]氦气经过堆芯加热从气冷微堆出口流向第一分流装置分流为两路，一路从第一分流装置第一出口流出后进入第一合流装置第一入口，另一路从第一分流装置第二出口流出后经过氦气
‑
熔盐换热器氦气侧放热或吸热，然后进入第一合流装置第二入口，两路汇流后从第一合流装置出口进入高温氦气
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超临界二氧化碳换热器氦气侧降温放热，然后进入第二分流装置分流为两路，一路从第二分流装置第一出口流出后直接进入第二合流装置第一入口，另一路从第二分流装置第二出口流出后进入低温氦气
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超临界二氧化碳换热器氦气侧降温放热，然后进入第二合流装置第二入口，两路汇流后从第二合流装置出口进入气冷微堆入口；通过高温氦气
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超临界二氧化碳换热器和低温超临界二氧化碳换热器实现热功转换，通过氦气
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熔盐换热器实现热量存储和释放。
[0016]本专利技术进一步的改进在于，通过调节第一合流装置和第一分流装置的开关状态，能够形成反应堆回路子系统与熔盐储能子系统、超临界二氧化碳布雷顿循环子系统间的不同耦合方式，具体包括：
[0017]1)第一分流装置第一出口开启，第二出口关闭，第一合流装置第一入口开启，第二入口关闭，气冷微堆回路子系统直接与超临界二氧化碳布雷顿循环子系统耦合，实现气冷微堆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统，其特征在于，包括相连的反应堆回路子系统(1)、熔盐储能子系统(2)以及具有不同构型的超临界二氧化碳布雷顿循环子系统(3)；反应堆回路子系统(1)包括气冷微堆(1
‑
1)、第一分流装置(1
‑
2)、第一合流装置(1
‑
4)、高温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器(1
‑
5)、第二分流装置(1
‑
6)、第二合流装置(1
‑
7)、低温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器(1
‑
8)以及氦气
‑
熔盐换热器(1
‑
10)；其中，气冷微堆(1
‑
1)出口与第一分流装置(1
‑
2)入口连接，第一分流装置(1
‑
2)第一出口通过与第一合流装置(1
‑
4)第一入口连接，第一分流装置(1
‑
2)第二出口通过氦气
‑
熔盐换热器(1
‑
10)氦气侧与第一合流装置(1
‑
4)第二入口连接，第一合流装置(1
‑
4)出口与高温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器(1
‑
5)氦气侧入口连接，高温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器(1
‑
5)氦气侧出口与第二分流装置(1
‑
6)入口连接，第二分流装置(1
‑
6)第一出口与第二合流装置(1
‑
7)第一入口连接，第二分流装置(1
‑
6)第二出口通过低温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器(1
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8)氦气侧与第二合流装置(1
‑
7)第二入口连接，第二合流装置(1
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7)出口与气冷微堆(1
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1)入口连接；氦气
‑
熔盐换热器(1
‑
10)熔盐侧与熔盐储能子系统(2)相连，低温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器(1
‑
8)以及高温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器(1
‑
5)超临界二氧化碳侧均与超临界二氧化碳布雷顿循环子系统(3)相连。2.根据权利要求1所述的一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统，其特征在于，熔盐储能子系统(2)包括低温熔盐罐(2
‑
1)、低温熔盐阀(2
‑
2)、低温熔盐泵(2
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3)第三合流装置(2
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4)、第三分流装置(2
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5)、高温熔盐罐(2
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6)、高温熔盐阀(2
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7)以及高温熔盐泵(2
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8)；其中，氦气
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熔盐换热器(1
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10)熔盐侧出口与第三分流装置(2
‑
5)连接，第三分流装置(2
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5)第二出口通过低温熔盐罐(2
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1)、低温熔盐阀(2
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2)、低温熔盐泵(2
‑
3)与第三合流装置(2
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4)第一入口连接，第三分流装置(2
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5)第一出口通过高温熔盐罐(2
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6)、高温熔盐阀(2
‑
7)、高温熔盐泵(2
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8)与第三合流装置(2
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4)第二入口连接，第三合流装置(2
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4)出口与氦气
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熔盐换热器(1
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10)熔盐侧入口连接。3.根据权利要求2所述的一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统，其特征在于，超临界二氧化碳布雷顿循环子系统(3)包括透平(3
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1)、低温回热器(3
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2)、高温回热器(3
‑
3)、第四分流装置(3
‑
4)、预冷器(3
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5)、主压缩机(3
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6)、分流阀(3
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7)、再压缩机(3
‑
8)、第四合流装置(3
‑
9)、第五分流装置(3
‑
10)、再分流阀(3
‑
11)、第五合流装置(3
‑
12)以及电机(3
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13)；其中，高温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器(1
‑
5)超临界二氧化碳侧出口与透平(3
‑
1)入口连接，透平(3
‑
1)出口经过低温回热器(3
‑
2)热侧和高温回热器(3
‑
3)热侧与第四分流装置(3
‑
4)入口连接，第四分流装置(3
‑
4)第一出口通过预冷器(3
‑
5)热侧、主压缩机(3
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6)、高温回热器(3
‑
3)冷侧与第四合流装置(3
‑
9)第一入口连接，第四分流装置(3
‑
4)第二出口通过分流阀(3
‑
7)、再压缩机(3
‑
8)与第四合流装置(3
‑
9)第二入口连接，第四合流装置(3
‑
9)出口与第五分流装置(3
‑
10)入口连接，第五分流装置(3
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10)第一出口通过低温回热器(3
‑
2)冷侧与第五合流装置(3
‑
12)第一入口连接，第五分流装置(3
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10)第二出口通过再分流阀(3
‑
11)、低温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器(1
‑
8)超临界二氧化碳侧与第五合流装置(3
‑
12)第二入口连接，第五合流装置(3
‑
12)出口与高温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器(1
‑
5)超临界二氧化碳侧入口连接。4.根据权利要求3所述的一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统，其特
征在于，透平(3
‑
1)、主压缩机(3
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6)与再压缩机(3
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8)同轴布置。5.根据权利要求3所述的一种耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统，其特征在于，所述氦气
‑
熔盐换热器(1
‑
10)、高温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器(1
‑
5)、低温氦气
‑
超临界二氧化碳换热器(1
‑
8)、低温回热器(3
‑
2)、高温回热器(3
‑
3)、预冷器(3
‑
5)采用印刷电路板式换热器。6.一种基于权利要求3所述的耦合储能和布雷顿循环的气冷微堆能量转换系统的能量转化方法，其特征在于，包括以下步骤：氦气经过堆芯加热从气冷微堆(1
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1)出口流向第一分流装置(1
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2)分流为两路，一路从第一分流装置(1
‑
2)第一出口流出后进入第一合流装置(1
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4)第一入口，另一路从第一分流装置(1
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2)第二出口流出后经过氦气
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熔盐换热器(1
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10)氦气侧放热...

【专利技术属性】
技术研发人员：周毓佳，张一帆，李红智，姚明宇，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：