【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于核能应用，特别是涉及一种高温气冷堆氦气二氧化碳双工质循环氢电联产系统。
技术介绍
1、当今世界第四代核电技术高温气冷堆因安全性好、热效率高等优势而备受各国青睐。高温气冷堆堆芯气体出口温度高达800℃以上，在该高温下的动力循环只能采用以热安定性好的氦气为工质的布雷顿循环，而摒弃了温度在650℃以上对材料具有腐蚀性的二氧化碳为工质的布雷顿循环。但目前存在如下问题：高温气冷堆堆芯出口温度超过950℃时，氦气轮机的设计和制造非常困难，同时氦气可压缩性差、密度小，造成动力循环的装置尺寸过大，不仅增加了设备造价，而且限制了应用场所，难以应用于航空、船舶等领域。如果将氦气的高温热能应用于高效制氢工艺，则可以有效解决高温气轮机设计和制造的难题。
2、氢能作为新的二次能源，对我国构建清洁、安全的未来能源体系意义重大，本世纪我国将逐步构建涵盖交通、储能、发电、工业等领域的氢能产业体系。目前的制氢工艺主要是化石燃料制氢和水电解制氢，化石燃料制氢产生大量二氧化碳，已不适应未来社会发展的需求，而水电解制氢是完全清洁的制氢方式，因此水电解制氢与新能源发电相耦合是今后大规模制备绿氢的理想途径。水电解制氢方式中的高温蒸汽电解制氢技术，利用热能替代部分电能，具有效率高、成本低的特点，是较理想的水电解制氢方式。高温水蒸汽电解制氢通常需要800℃以上的高温热能，这点上正好与第四代核电技术高温气冷堆相匹配。目前核能的利用仍以发电为主，若用于制氢，不但可以提供大规模、高效、稳定的氢气供应方案，还可以拓展核能的应用领域、提高经济性，因此利用核电站
3、当高温气冷堆用于高温水蒸汽电解制氢时，热能先用于制氢，然后再用于发电，虽然有效避免了动力循环系统因初温太高对气轮机材料要求的问题，但不利的是制氢后氦气的温度明显降低，若再以氦气为工质的动力循环其热效率将大幅度降低，并且动力循环装置尺寸过大的问题也将进一步放大。反之，超临界状态的二氧化碳布雷顿循环在温度450～650℃区间具有最佳的循环热效率，完全可与初温800℃的氦气布雷顿循环相媲美，同时超临界二氧化碳可压缩性高、密度大，可使装置的尺寸减小，降低设备造价，扩大应用领域。因此对于高温气冷堆，将水蒸汽电解制氢技术和超临界二氧化碳动力循环与之相耦合，不仅降低制备绿氢成本，而且维持较高的动力循环效率，同时使系统紧凑，降低整体造价，这些优势将对未来核能制氢与发电联合生产技术的发展产生深远的影响。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种能量梯级利用、绿氢制备成本低、循环热效率高、系统紧凑造价低的高温气冷堆氦气二氧化碳双工质循环氢电联产系统。
2、本专利技术的目的是通过下述的技术方案加以实现的：
3、本专利技术是一种高温气冷堆氦气二氧化碳双工质循环氢电联产系统，它包括核电站一回路子系统、制氢子系统、二氧化碳循环发电子系统；所述核电站一回路子系统通过管道分别与制氢子系统、二氧化碳循环发电子系统连接，制氢子系统通过管道与二氧化碳循环发电子系统连接；
4、所述的核电站一回路子系统由高温气冷堆、高温过热器、氦气二氧化碳换热器、氦气循环风机组成；所述的高温气冷堆的出口与高温过热器的氦气入口连接；所述的高温过热器的氦气出口与氦气二氧化碳换热器的氦气入口连接；所述的氦气二氧化碳换热器的氦气出口与高温气冷堆的入口连接并在该管道上设置氦气循环风机；
5、所述的制氢子系统由给水管道、水蒸汽发生器、低温过热器、固体氧化物电解器、氢气输送管道、氧气输送管道组成；所述的给水管道与水蒸汽发生器的给水入口连接；所述的水蒸汽发生器的蒸汽出口与低温过热器的蒸汽入口连接；所述的低温过热器的蒸汽出口与核电站一回路子系统的高温过热器的蒸汽入口连接；所述的固体氧化物电解器的阴极水蒸汽入口与核电站一回路子系统的高温过热器的蒸汽出口连接，固体氧化物电解器的阴极氢气出口与氢气输送管道连接，固体氧化物电解器的阳极氧气出口与氧气输送管道连接；所述的氢气输送管道螺旋或曲折地穿过低温换热器后与外界的储气罐连接；所述的氧气输送管道穿过低温过热器后与外界的储气罐连接；
6、所述的二氧化碳循环发电子系统由二氧化碳压缩机、二氧化碳透平机、发电机、冷却器组成；所述的二氧化碳压缩机的出口与核电站一回路子系统的氦气二氧化碳换热器的二氧化碳入口连接；所述的二氧化碳透平机的进气口与核电站一回路子系统的氦气二氧化碳换热器的二氧化碳出口连接，二氧化碳透平机的排气口与制氢子系统的水蒸汽发生器的管程入口连接；所述的发电机与二氧化碳透平机、二氧化碳压缩机同轴连接；所述的冷却器的壳程入口与制氢子系统的水蒸汽发生器的管程出口连接，冷却器的壳程出口与二氧化碳压缩机的入口连接。
7、所述的高温气冷堆的氦气出口温度在850～1000℃之间；所述的高温过热器的蒸汽出口温度在800～950℃之间，高温过热器的氦气出口温度在550～700℃之间，高温过热器的蒸汽入口温度在500～650℃之间；所述的水蒸汽发生器的蒸汽出口温度在200～374℃之间；所述的二氧化碳透平机的进气温度在500～650℃之间，排气温度在250～400℃之间。
8、所述的氧气输送管道以螺旋或曲折的方式穿过低温过热器后与外界的储气罐连接。
9、采用上述方案后，本专利技术具有以下几个优点：
10、1） 实现氢电联产。本专利技术核电站一回路子系统通过高温过热器和氦气二氧化碳换热器分别向制氢子系统和二氧化碳循环发电子系统提供了温度相匹配的热源，符合按质用能、梯级利用的原则，实现了同一股氦气流先制氢、后发电的氢电联产方式。
11、2） 系统简单可靠尺寸小。本专利技术通过制氢工艺避免了超高温下气轮机设计和制造的难题，同时在中高温范围内运用超临界二氧化碳布雷顿循环取代氦气布雷顿循环，减少装置尺寸和造价，拓宽了应用领域。与此同时，本专利技术将超临界二氧化碳循环系统的排气余热用于制氢工艺中水蒸汽的制取，从而省略了回热器的布置，避免了回热器的换热夹点问题，使循环系统更为简单可靠。
12、3） 绿氢制备成本低。本专利技术利用高温气冷堆进行水蒸汽电解制氢，有利于大规模、高效稳定制备绿氢，同时水蒸汽电解制氢无污染、效率高、成本低。
13、4） 循环热效率高。本专利技术针对未来堆芯温度有望继续提高的高温气冷堆，引入制氢工艺和发电系统相结合，利用制氢消耗高温热能，这样为热源温度合理匹配超临界二氧化碳循环提供了条件，发挥了二氧化碳循环的优势，在中高温范围内仍维持较高的循环效率。
14、本专利技术与核能单纯制氢模式相比较，其优点在于：本专利技术采用先进的水蒸汽电解制氢工艺并实现了氢电联产方式，向外输出大量电能同时满足自身制氢的用电需求，制氢成本更低。
15、本专利技术与核能单纯发电模式相比较，其优点在于：本专利技术耦合了制氢同时维持较高发电效率。因本专利技术采用初温较低的超临界二氧化碳循环，依然维持与初温较高的的氦气循环相近的效率，故本专利技术在不影响发本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高温气冷堆氦气二氧化碳双工质循环氢电联产系统，其特征在于：它包括核电站一回路子系统、制氢子系统、二氧化碳循环发电子系统；所述核电站一回路子系统通过管道分别与制氢子系统、二氧化碳循环发电子系统连接，制氢子系统通过管道与二氧化碳循环发电子系统连接；
2.根据权利要求1所述的高温气冷堆氦气二氧化碳双工质循环氢电联产系统，其特征在于：所述的高温气冷堆的氦气出口温度在850～1000℃之间；所述的高温过热器的蒸汽出口温度在800～950℃之间，高温过热器的氦气出口温度在550～700℃之间，高温过热器的蒸汽入口温度在500～650℃之间；所述的水蒸汽发生器的蒸汽出口温度在200～374℃之间；所述的二氧化碳透平机的进气温度在500～650℃之间，排气温度在250～400℃之间。
3.根据权利要求1所述的高温气冷堆氦气二氧化碳双工质循环氢电联产系统，其特征在于：所述的氧气输送管道以螺旋或曲折的方式穿过低温过热器后与外界的储气罐连接。
【技术特征摘要】
1.一种高温气冷堆氦气二氧化碳双工质循环氢电联产系统，其特征在于：它包括核电站一回路子系统、制氢子系统、二氧化碳循环发电子系统；所述核电站一回路子系统通过管道分别与制氢子系统、二氧化碳循环发电子系统连接，制氢子系统通过管道与二氧化碳循环发电子系统连接；
2.根据权利要求1所述的高温气冷堆氦气二氧化碳双工质循环氢电联产系统，其特征在于：所述的高温气冷堆的氦气出口温度在850～1000℃之间；所述的高温过热器的蒸汽出口温...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。