基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统技术方案

本发明专利技术提高了一种基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统，包括：由压缩机、回热器、反应堆二回路换热器、冷却器、可调涡轮、发电机、电动机、二氧化碳储罐构成的超临界二氧化碳循环回路；由反应堆、反应堆二回路换热器、二回路循环泵构成的小型模块化反应堆；由冷却液槽、冷却液循环泵、冷却器构成的冷却液循环回路。本发明专利技术通过调节径流涡轮的喷嘴环开度来防止系统在部分负载运行时流入涡轮叶轮的工质流速过大或过小，从而提高了涡轮的效率和系统的热发电效率。本发明专利技术在未复杂化超临界二氧化碳循环发电系统的同时，确保了发电机直接并网的可行性，提高了系统部分负载的热发电效率，拓宽了系统的可变负载范围。拓宽了系统的可变负载范围。拓宽了系统的可变负载范围。

【技术实现步骤摘要】
基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统


[0001]本专利技术涉及一种基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统，属于动力循环


技术介绍

[0002]化石燃料的大量使用导致环境问题日益严峻，这与人类可持续发展理念背道而驰。近年来，核能、太阳能、地热能等清洁能源发电技术得到广泛关注，而核能以其稳定、低成本、可控等特点备受青睐。
[0003]自第四代核反应堆的诞生以来，以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环已成为国际能源领域热发电技术的研究热点。由于二氧化碳在其临界点(31.1℃，7.39MPa)的高密度、低粘度、高热容、低压缩因子等独特的物理性质，因此超临界二氧化碳循环比传统的蒸汽循环的发电效率更高、系统更紧凑。
[0004]在超临界二氧化碳循环发电的相关技术中，发电机由涡轮膨胀做功驱动，并保持恒定转速以便直接并入电网。实际上，系统在根据负载需求发电时通常偏离设计状态，即超负载或低负载运行。当超临界二氧化碳循环系统处于低负载时，涡轮的流量下降，但转速的不变导致其速比(叶轮进口切向速度/喷嘴环气流速度)较大，从而造成较低的涡轮效率和系统热发电效率。而带有可调进口导叶的涡轮可通过调节喷嘴环开度来增大气流速度，进而提升涡轮效率和系统热发电效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统，用以解决系统运行在低负载场景下的低效率问题。
[0006]本专利技术提供了一种基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统，包括：
[0007]超临界二氧化碳循环回路设备，包括压缩机、回热器、反应堆二回路换热器、冷却器、可调涡轮、发电机、电动机、二氧化碳储罐，所述压缩机出口连接所述回热器高压侧进口，所述回热器高压侧出口连接所述反应堆二回路换热器高压侧进口，所述反应堆二回路换热器高压侧出口连接所述可调涡轮进口，所述可调涡轮出口连接所述回热器低压侧进口，所述回热器低压侧出口连接所述冷却器高压侧进口，所述冷却器高压侧出口连接所述压缩机进口。
[0008]冷却液循环设备包括冷却器、冷却液槽和冷却液循环泵，所述冷却液槽出口连接所述冷却液循环泵进口，所述冷却液循环泵出口连接所述冷却器低压侧进口，所述冷却器低压侧出口连接所述冷却液槽进口。
[0009]小型模块化反应堆包括反应堆二回路换热器、反应堆二回路循环泵和反应堆，所述反应堆二回路循环泵出口连接所述反应堆进口，所述反应堆出口连接所述反应堆二回路换热器低压侧进口，所述反应堆二回路换热器低压侧出口连接所述反应堆二回路循环泵进口。
[0010]优选地，所述发电机与所述可调涡轮的转轴通过联轴器连接，所述电动机与所述压缩机的转轴通过联轴器连接。
[0011]优选地，所述可调涡轮的喷嘴环开度由喷嘴环旋转轴转动带动其叶片转动来调控。
[0012]更优选地，所述发电机保持恒定转速以便直接并入电网。
[0013]优选地，所述二氧化碳储罐进口连接所述压缩机出口，所述二氧化碳储罐出口连接冷却器高压侧进口；当系统负载升高时，所述二氧化碳储罐进口关闭、出口打开，当系统负载降低时，所述二氧化碳储罐进口打开、出口关闭。
[0014]更优选地，所述二氧化碳储罐的容量可保证机组在全负载工况稳定运行。
[0015]优选地，所述反应堆为小型模块化反应堆，采用钠冷快速反应堆结构设计，二回路的换热介质为液态钠，最高工作温度为530℃。
[0016]优选地，所述冷却液介质为水，冷却水槽保持20℃的恒温。
[0017]优选地，所述回热器、所述反应堆二回路换热器和所述冷却器均采用逆流式布局。
[0018]上述的基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统的使用步骤为：在超临界二氧化碳循环回路中，物性略高于临界点的二氧化碳由电动机驱动的压缩机压缩至高压后，流入回热器高压侧吸收热量，流出回热器高压侧的二氧化碳进入反应堆二回路换热器高压侧加热，流出反应堆二回路换热器高压侧的高温高压二氧化碳进入可调涡轮膨胀做功并驱动发电机，流出可调涡轮的二氧化碳进入回热器低压侧将热量传递给高压侧的二氧化碳，流出回热器低压侧的二氧化碳进入冷却器高压侧被低压侧的冷却水冷却，流出冷却器高压侧的二氧化碳流入压缩机。在反应堆二回路循环泵的驱动下，反应堆二回路的液态钠不断从反应堆中吸收热量，再经反应堆二回路换热器低压侧将热量传递给高压侧的二氧化碳。在冷却液循环泵的驱动下，冷却水不断在冷却液槽中释放热量，再经冷却器低压侧冷却高压侧的二氧化碳。当系统负载增大时，二氧化碳储罐在冷却器高压侧入口处向回路释放二氧化碳，同时可调涡轮通过增大喷嘴环开度以防止流入涡轮叶轮的工质流速过大；当系统负载减小时，压缩机出口的部分高压二氧化碳流入二氧化碳储罐，同时可调涡轮通过减小喷嘴环开度以防止流入涡轮叶轮的工质流速过小。
[0019]有益效果：
[0020]1.本专利技术提供了基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统，通过调节涡轮的喷嘴环开度增大系统在低负载时涡轮膨胀比和循环压比，在未复杂化超临界二氧化碳循环发电系统的同时提升了低负载时涡轮效率和系统的热发电效率。
[0021]2.本专利技术提供了基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统，改善了系统在低负载时定转速涡轮的效率，提高了直接并网的可行性。
[0022]3.本专利技术提供了基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统，改善了系统在低负载时的热发电效率，拓宽了系统的可变负载范围。
附图说明
[0023]图1为本专利技术提供的基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统示意图；
[0024]图2为本专利技术提供的径流涡轮的喷嘴环大开度示意图；
[0025]图3为本专利技术提供的径流涡轮的喷嘴环小开度示意图；
[0026]其中：1
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压缩机，2
‑
回热器，3
‑
反应堆二回路换热器，4
‑
可调涡轮，5
‑
冷却器，6
‑
冷却液槽，7
‑
冷却液循环泵，8
‑
反应堆，9
‑
反应堆二回路循环泵，10
‑
发电机，11
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电动机，12
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二氧化碳储罐。
具体实施方式
[0027]图1为本专利技术提供的基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统示意图，所述的基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统包括：
[0028]超临界二氧化碳循环回路设备，包括压缩机1、回热器2、反应堆二回路换热器3、可调涡轮4、冷却器5、发电机10、电动机11、二氧化碳储罐12，所述压缩机1出口连接所述回热器2高压侧进口，所述回热器2高压侧出口连接所述反应堆二回路换热器3高压侧进口，所述反应堆二回路换热器3高压侧出口连接所述可调涡轮4进口，所述可调涡轮4出口连接所述回热器2低压侧进口，所述回热器2低压侧出口连接所述冷却器5高压侧进口，所述冷却器5高压侧出口连接所述压缩机1进口。
[0029本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可调涡轮的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，包括：超临界二氧化碳循环回路设备，包括压缩机(1)、回热器(2)、反应堆二回路换热器(3)、可调涡轮(4)、冷却器(5)、发电机(10)、电动机(11)、二氧化碳储罐(12)，所述压缩机(1)由所述电动机(11)驱动，所述压缩机(1)出口连接所述回热器(2)高压侧进口和所述二氧化碳储罐(12)进口，所述回热器(2)高压侧出口连接所述反应堆二回路换热器(3)高压侧进口，所述反应堆二回路换热器(3)高压侧出口连接所述可调涡轮(4)进口，所述发电机(10)由所述可调涡轮(4)驱动，所述可调涡轮(4)出口连接所述回热器(2)低压侧进口，所述回热器(2)低压侧出口连接所述冷却器(5)高压侧进口，所述冷却器(5)高压侧出口连接所述压缩机(1)进口；冷却液循环设备，包括冷却器(5)、冷却液槽(6)、冷却液循环泵(7)，所述冷却液槽(6)出口连接所述冷却液循环泵(7)进口，所述冷却液循环泵(7)出口连接所述冷却器(5)低压侧进口，所述冷却器(5)低压侧出口连接所述冷却液槽(6)进口；小型模块化反应堆包括反应堆二回路换热器(3)、反应堆(8)、反应堆二回路循环泵(9)，所述反应堆二回路循环泵(9)出口连接所述反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜亚东，杨策，王海媚，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：