一种高温气冷堆联合循环发电一体化系统技术方案

一种高温气冷堆联合循环发电一体化系统，涉及高温气冷堆联合循环发电系统的结构设计。其技术特点是将一回路除堆芯以外的所有部件以及发电机组置于一个封闭的能量转换压力壳中，并采用单轴立式布置的一体化结构。本发明专利技术不仅具有结构紧凑，布局合理，安装与拆卸维修方便的优点，而且将具有放射性的一回路气体与外界隔离开，具有安全性好的特点。另外，将气体透平、高、低压压气机以及发电机组安装在同一轴线上，启动方便、堆－机调节系统简单、转速与电网频率相同，可基本满足商业发电的要求。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及核反应堆联合循环发电系统，特别涉及一种高温气冷堆联合循环发电系统的结构设计，属于核能发电
高温气冷堆的显著特点之一是能够提供高温热源，可大幅度提高核能发电的潜力。蒸汽循环的温度范围约400℃-550℃，无法充分利用高温气冷堆的高温优势。而气体透平技术是燃气工业领域在近20年发展起来并日趋成熟的技术，其进气温度已高达1500℃，效率也高于蒸汽循环，完全能够满足高温气冷堆目前及将来的发展需要。 在高温气冷堆气体透平循环系统中，气体透平尾气仍具有较高温度(＞500℃)，因此，提高发电效率的关键在于有效利用气体透平尾气的能量。现在核能界普遍感兴趣的是安装回热器，即气体透平回热循环，例如美国的GT-MHR、南非的PBMR等方案，参考“D.R.Nicholls.Status of the Pebble Bed Modular Reactor，Proceedings of IAEA Technical Meeting [C].Beijing，China2～4，1998.”。 文献“H.Barnert，K.Kugeler.HTR Plus Modern Turbine Technology For HigherEfficiencies，IAEA-TECDOC-899，Proceedings of a Technical Committee meeting held inBeijing，China[C]，30 October to 2 November，1995.”提出了模块式高温气冷堆气体蒸汽透平联合循环发电的新概念，其主要思想是采用余热锅炉和蒸汽循环回收气体透平高温尾气的余热，并利用一个小型回热器维持适当的堆芯进口温度，如图1-高温堆联合循环示意图所示。氦气经过反应堆堆芯14后将堆芯能量带出，在气体透平10处膨胀做功，气体透平带动高压压气12、低压压气机13旋转同时也带动发电机7发电。膨胀做功后的氦气仍具有较高温度，通过余热锅炉9将热量传给水汽侧产生过热蒸汽。余热锅炉9的尾气通过回热器3的低压侧用于加热高压侧的堆芯进口氦气，然后通过预冷器1降至低温。低温低压氦气经过压气机组(包括低压压气机13，中间间冷器2和高压压气机12)后升压，然后进入回热器3高压侧进行升温，最后进入堆芯14再循环。由于联合循环是由高温区的氦气布雷登循环和低温区的蒸汽朗肯循环组成布雷登循环的热源由高温堆直接提供，朗肯循环的热源由布雷登循环中的气体透平尾气提供，发电量则为两个循环发电量之和，因此高温气冷堆联合循环具有较高的发电效率。经计算，高温气冷堆联合循环在现有条件下，堆芯出口温度为900℃时，循环效率可达到47％，并且随着材料科学及相关技术的发展，高温气冷堆联合循环效率有望进一步提高。而且还具有流量小、一回路部件尺寸小、堆芯进口温度低、蒸汽循环技术成熟、很好的发展潜力等优点。 国内外对高温气冷堆联合循环的研究尚处于起步阶段，仅有定性分析与少数的定量分析，停留在前文所论述的水平，并没有一个真正能够实现高温气冷堆联合循环发电的系统方案。 目前，现有技术中高温气冷堆的联合循环与现有常规电厂中采用的联合循环的发电系统大致相同，所不同的只是堆芯代替燃烧室，一回路工作介质为氦气而不是燃气。常规电厂中采用的联合循环的主要结构特点为卧式结构、占地面积大、无压力壳作为压力边界。但由于高温堆一回路能量转换系统需要安装在一个独立的压力容器中，因此现有的常规联合循环系统无法满足高温气冷堆联合循环的需要。 上述目的是通过如下技术方案实现的一种高温气冷堆联合循环发电一体化系统，该系统主要包括由堆芯、气体透平、余热锅炉、回热器、高压压气机、低压压气机、中间冷却器、预冷器及连接管道组成的一回路和发电机组，其特征在于将一回路中的气体透平、高压压气机、低压压气机、余热锅炉、回热器、中间冷却器、预冷器和发电机组采用单轴立式布置于能量转换压力壳中，所述气体透平、高压压气机、低压压气机从上至下依次安装在同一轴上，并通过联轴节与设置在能量转换压力壳上部的发电机组相连。 在上述方案的基础上，本专利技术的特征还在于将余热锅炉、回热器、中间冷却器设置在气体透平、高压压气机与低压压气机周围，余热锅炉进口靠近气体透平出口，回热器热端入口与余热锅炉的出口相连接，其回热器冷端入口与高压压气机的出口相连；并将预冷器设置在能量转换压力壳底部，使其靠近低压压气机的进气口。 本专利技术具有以下优点及有益效果①一体化设计整个能量转换系统置于一个压力壳内，将具有放射性的一回路气体与外界隔离开，使该压力壳同时作为限制放射性的压力边界，不仅安全性好，而且结构紧凑，布局合理。 ②采用单轴立式结构气体透平、高压压气机、低压压气机以及发电机组安装在同一轴线上。启动方便、堆-机调节系统简单、转速与电网频率相同。 ③安装与拆卸维修方便安装时由上至下装入各个部件，同轴的氦气透平机组作为一体安装，最后通过联轴节与发电机组连接。需要维修更换部件，过程正好相反。 ④满足不同的循环要求将中间单轴式氦气透平机组抽出，则可作蒸汽循环使用；将氦气透平机组插入，则可实现联合循环。 图1为本专利技术的循环原理示意图。 图2为本专利技术的高温气冷堆联合循环发电一体化系统结构示意图。 堆芯出口的高温氦气体通过热气导管11由堆芯14进入能量转换压力壳6中的气体透平，经膨胀做功后的高温尾气被送入余热锅炉9，将蒸汽循环中的水加热为过热蒸汽；在能量转换压力壳上设有冷水进口导管4和蒸汽出口导管5，分别连接蒸汽循环的给水与蒸汽管道。经余热锅炉出来的氦气降温后，先在回热器3中预热高压压气机出口氦气，再由预冷器1进一步降低温度，然后经由低、高压压气机两级压缩后通过热气导管11返回堆芯14。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温气冷堆联合循环发电一体化系统，该系统主要包括由堆芯、气体透平、余热锅炉、回热器、高压压气机、低压压气机、中间冷却器、预冷器及相应的连接管道组成的一回路以及发电机组，其特征在于：将一回路中的气体透平、高压压气机、低压压气机、余热锅炉、回热器、中间冷却器、预冷器和发电机组采用单轴立式布置于能量转换压力壳中，所述气体透平、高压压气机、低压压气机从上至下依次安装在同一轴上，并通过联轴节与设置在能量转换压力壳上部的发电机组相连。

【技术特征摘要】
1.一种高温气冷堆联合循环发电一体化系统，该系统主要包括由堆芯、气体透平、余热锅炉、回热器、高压压气机、低压压气机、中间冷却器、预冷器及相应的连接管道组成的一回路以及发电机组，其特征在于将一回路中的气体透平、高压压气机、低压压气机、余热锅炉、回热器、中间冷却器、预冷器和发电机组采用单轴立式布置于能量转换压力壳中，所述气体透平、高压压气机、低压压气机从上至下依次安装在同一轴上，并通过联轴节与设置在能量转换压...

【专利技术属性】
技术研发人员：张作义，王大中，王捷，陈夷华，吴宗鑫，于溯源，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]