用于由钠冷却快中子反应堆产生的蒸汽的能量转化循环的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于由钠冷却快中子反应堆产生的蒸汽的能量转化循环，所述循环具有：第一阶段，其中，来自与反应堆(1)相连的蒸汽发生器(2)的蒸汽进行第一次膨胀，以便使蒸汽从“矿物燃料循环”初始状态(21)到达所述蒸汽的温度和压力的中间状态，中间状态对应于“核循环”初始状态(22)；第二阶段，其中，蒸汽从中间状态(22)进行第二次膨胀，直到获得处于蒸汽饱和曲线(S)下方的第一湿状态(23)的蒸汽；第三阶段，其中，蒸汽被干燥和过热；以及第四阶段，其中，蒸汽从其过热状态(24)进行第三次膨胀至第二湿状态(25)。
【专利说明】用于由钠冷却快中子反应堆产生的蒸汽的能量转化循环
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于转化由钠冷却快中子反应堆(所谓的钠快中子反应堆-FNR)所供能量的能量转化循环。
[0002]本发明涉及一种核装置，所述装置包括至少一个核反应堆、蒸汽发生器、蒸汽涡轮，以及干燥器和/或过热器。
【背景技术】
[0003]气态的或液态的水在闭合回路中循环通过单元，并且经受温度和压力变化。
[0004]术语“循环”指蒸汽发生器出口的气态或液态水和返回到蒸汽发生器内的所述气态或液态水之间的温度和压力改变。
[0005]为获得最好的循环效率，采用钠冷却快中子反应堆是有利的。
[0006]然而，钠冷却快中子反应堆出口处的温度和压力值比通常在“核循环”中遇到的那些温度和压力值要高得多，并且接近于通常在“矿物燃料循环”中遇到的那些温度和压力值。
[0007]“核循环”对应于通常在核装置内遇到的温度和压力变化，所述核装置通常利用来自蒸汽发生器出口的蒸汽运行，所述蒸汽接近于饱和曲线。
[0008]“矿物燃料循环”对应于通常在利用燃烧矿物燃料的锅炉的热发电站遇到的温度和压力变化。
[0009]法国凤凰(Phenix)FNR发电站的钠冷却快中子反应堆采用了蒸汽涡轮技术，使得能够采用蒸汽在接近于在“矿物燃料循环”中遇到的那些温度和压力条件下运行，从而允许蒸汽在蒸汽在干蒸汽条件下通过高压涡轮和中压涡轮时进行膨胀。
[0010]在装置的不同部件(即涡轮和过热器)内的温度和压力条件必须不能太高，以便具有长达60年的使用寿命。
[0011]较低的温度降低了不同部件中的蠕变风险。
[0012]在本文中，本发明的主题为用于由钠冷却快中子反应堆产生的蒸汽的能量转化循环，所述能量转化循环改善了设备的寿命。
【发明内容】
[0013]为此，用于由钠冷却快中子反应堆产生的蒸汽的有创造性的能量转化循环的显著性在于其具有:
[0014]第一阶段，其中，来自与反应堆相连的蒸汽发生器的蒸汽进行第一次膨胀，以使蒸汽从“矿物燃料循环”初始状态到达所述蒸汽的温度和压力的中间状态，所述中间状态对应于“核循环”初始状态，
[0015]第二阶段，其中，蒸汽从中间状态进行第二次膨胀，直到获得处于蒸汽饱和曲线下方的第一湿状态的蒸汽，
[0016]第三阶段，其中，蒸汽从其第一湿状态被干燥并被过热，以使其到达处于饱和曲线上方的干燥且过热状态，以及
[0017]第四阶段，其中，蒸汽从其过热状态进行第三次膨胀至处于蒸汽饱和曲线下方的第二湿状态，所述蒸汽随后被冷凝并且被送回到蒸汽发生器。
[0018]在本发明中要求保护的钠冷却快中子反应堆的循环比现有技术的钠冷却快中子反应堆的循环更多地处于饱和蒸汽区域，同时在蒸汽发生器的出口处附近有相同的温度和压力条件的情况下工作，所述条件接近于在热发电站遇到的那些条件。
[0019]与当前采用法国凤凰FNR发电站的钠冷却快中子反应堆获得的循环相比，在本发明中要求保护的循环允许效率增加。
[0020]该循环能够被用于1500MWe以上级别的高电功率反应堆。
[0021]本发明允许钠冷却快中子反应堆和当前用于矿物燃料或核发电站的标准部件一起使用。
[0022]本发明因此使得能够避免实现过热器，诸如在法国FNR发电站中用于钠冷却快中子反应堆的那些，这些过热器难以设计并且制作成本高。
[0023]处于其“矿物燃料循环”初始状态的蒸汽处于被包含在150和200巴之间的压力以及被包含在450和570°C之间的温度下。
[0024]将被包含在30和50巴之间的压力以及被包含在234和300°C之间的温度限定为中间状态。
[0025]处于其第一湿状态的蒸汽在第二次膨胀后处于被包含在152和188°C之间的温度以及被包含在5和12巴之间的压力下。
[0026]处于其干燥和过热状态的蒸汽处于被包含在215和255°C之间的温度以及被包含在5和12巴之间的压力下。
[0027]处于其最后状态的蒸汽在一定温度下被冷凝，所述温度取决于所使用的冷源。
[0028]本发明还涉及一种用于实现先前限定的循环的蒸汽涡轮装置，包括钠冷却快中子反应堆，并且所述装置包括:
[0029]至少一个蒸汽发生器，
[0030]特高压/高温涡轮，所述特高压/高温涡轮被连接到所述核反应堆的蒸汽发生器上，其中，来自反应堆的蒸汽发生器的蒸汽进行第一次膨胀，以使蒸汽从“矿物燃料循环”初始状态到达所述蒸汽的温度和压力的中间状态，所述中间状态对应于“核循环”初始状态，
[0031]中间涡轮，所述中间涡轮被连接到所述特高压/高温涡轮上，并且部分地采用饱和蒸汽运行，其中，蒸汽从中间状态进行第二次膨胀，直到获得处于蒸汽饱和曲线下方的第一湿状态的蒸汽，
[0032]干燥器和过热器，所述干燥器和过热器被连接到所述中间涡轮上，其中，蒸汽从其第一湿状态被干燥，并且随后被过热，以使其到达饱和曲线上方的干燥和过热状态，以及:
[0033]出口涡轮，所述出口涡轮被连接到所述干燥器和过热器上，其中，蒸汽从其被过热状态进行第三次膨胀至第二湿状态，所述蒸汽随后被冷凝并且被送回到蒸汽发生器。
[0034]有利地，连接所述特高压涡轮的出口和过热器的管道允许受热的蒸汽从所述特高压涡轮的下游被抽出，所述蒸汽被过热器使用。
[0035]所述中间涡轮为高压涡轮，并且所述出口涡轮为中压和低压涡轮或者仅为低压涡轮。所述低压涡轮被并联设置。[0036]所述高压和中压涡轮(当存在于第二实施例中时)被设置成组合单元。
[0037]所述特高压/高温和中间涡轮被设置成使蒸汽在第一次膨胀和第二次膨胀后从处于被包含在150和200巴之间的压力以及被包含在450和570°C之间的温度下的矿物燃料循环初始状态膨胀至湿蒸汽状态，所述湿蒸汽状态的温度被包含在152和188°C之间并且压力被包含在5和12巴之间。
[0038]所述干燥器和过热器允许蒸汽在第二次膨胀后从温度被包含在152和188°C之间以及压力被包含在5和12巴之间的初始湿蒸汽状态变为压力被包含在5和12巴之间并且温度被包含在215和255 °C之间的干燥且过热的状态。
[0039]所述特高压/高温涡轮、中间涡轮和出口涡轮(无中压涡轮)使产生小于1200MWe电功率的交流发电机输入轴以网络频率(例如3000rpm)转动。
[0040]所述特高压/高温涡轮、中间涡轮和出口涡轮(具有中压涡轮)使产生大于1200MWe电功率的交流发电机输入轴以网络频率的一半(例如1500rpm)转动。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]参照附图，通过阅读以下作为非限定性实例给出的详细说明，将更好地理解本发明，并且本发明的优势将变得更加明显。
[0042]图1示意性地示出了如本发明要求保护的钠冷却快中子反应堆FNR的第一个实施例。
[0043]图2示意性地示出了如本发明要求保护的钠冷却快中子反应堆FNR的第二个实施例。
[0044]图3为焓图，亦称Mollier图，在曲线A上示出了接近于在法国凤凰发电站的钠冷却快中子反应堆FNR中使用的部分循环的一个实例，并且在曲线B上示出了如本发明要求保护的用在钠冷却快中子反应堆中的部分循环的一个实例。
【具体实施方式】
[0045]如图3示出的本发明要求保护的循环能够通过两个不同的蒸汽涡轮装置实现，每个装置均存在一个钠冷却快中子核反应堆1、1'(所述反应堆允许能量被释放以便在蒸汽发生器2、2'中产生蒸汽)、特高压/高温涡轮3、3'、中间涡轮4、3"以及出口涡轮5、4'、5',这些润轮适合于使产生电的交流发电机6、6'的输入轴6a、6a'转动。
[0046]特高压/高温涡轮3、3'通过一个或多个管道而连接到核反应堆1、1'的一个或多个蒸汽发生器2、2'上，并且允许进行蒸汽的第一次膨胀，以便使其从反应堆1、1'的蒸汽发生器2、2'的出口处的“矿物燃料循环”初始状态到达蒸汽的温度和压力的中间状态，中间状态有“核循环”初始状态的特征。
[0047]阀V、V'允许来自蒸汽发生器2、2'的蒸汽的流速被调节。
[0048]在图1示出的第一个实施例中，中间涡轮为通过管道而连接至特高压/高温涡轮3上的高压涡轮4，其主要采用饱和蒸汽运行。
[0049]高压涡轮4允许蒸汽从对应于“核循环”初始状态的中间状态进行第二次膨胀，直到获得处于饱和曲线S下方的第一湿状态的蒸汽。
[0050]接下来，通过使蒸汽相继进入干燥器7内，物理地分离液态水和蒸汽，接着进入过热器8内而进行蒸汽的干燥和过热，这些装置位于高压涡轮4和低压涡轮5之间的管道12内。
[0051]过热器8位于干燥器7的下游以及低压涡轮5的上游，并且抽出离开特高压/高温涡轮3的蒸汽允许蒸汽过热，以使其到达饱和曲线S上方的过热状态。连接特高压涡轮3的出口和过热器8的管道13允许受热的蒸汽被抽出，从而蒸汽被特高压涡轮3下游的过热器8使用。
[0052]被并联设置并且通过管道12连接到干燥器7和过热器8上的两个低压涡轮5允许蒸汽从其过热状态进行第三次膨胀至最终状态。可以使用多于两个的低压涡轮5进行这种第三次膨胀。
[0053]从干燥器7和过热器8回收的水经管道11而被送回入循环内。
[0054]具有冷凝器、再热器和泵的系统9、10用于使冷凝的蒸汽进入蒸汽发生器2内，但是这里未进行描述并且是现有技术公知的。
[0055]该装置能够生产大约600至1200MWe的电功率。
[0056]在图2示出的第二个实施例中，中间涡轮为通过管道而连接到特高压/高温涡轮3'上的高压涡轮3"，其主要采用饱和蒸汽运行。
[0057]高压涡轮3"允许蒸汽从对应于“核循环”初始状态的中间状态进行第二次膨胀，直到获得处于饱和曲线S下方的第一湿状态的蒸汽。
[0058]接下来，通过使所述蒸汽相继地进入干燥器7，物理地分离液态水和蒸汽，随后进入过热器8内而进行蒸汽的干燥和过热，这些装置位于高压涡轮3"和中压涡轮4'之间的管道内。
[0059]过热器8'位于干燥器7'的下游以及中压涡轮4'的下游，并且抽出离开特高压/高温涡轮3'的蒸汽，允许蒸汽过热，以使所述蒸汽到达饱和曲线S上方的过热状态。
[0060]连接特高压涡轮3'的出口和过热器8'的管道13'允许受热的蒸汽在特高压涡轮3'的下游被抽出，并被过热器8'使用。
[0061]图2示出了高压涡轮3"和中压涡轮4'被设置在单个的组合单元中。
[0062]中压涡轮4'和两个被并联设置且通过管道12连接到中压涡轮4'上的低压涡轮5'允许蒸汽从其过热状态进行第三次膨胀至最终状态。可以使用多于两个的低压涡轮5'以产生这种第三次膨胀。
[0063]在干燥器7'的水平面回收并且来自过热器8'的水通过管道11'被送回到循环内。
[0064]具有冷凝器、再热器和泵的系统9'、10'用于使冷凝的蒸汽进入蒸汽发生器2'内，但是这里未进行描述并且是现有技术公知的。
[0065]如图3所示，Mollier图的横坐标代表熵并且纵坐标代表流体焓。
[0066]特别地，它允许流体根据温度和压力而改变状态。
[0067]这里，所述流体为水，并且在该图中示出了水的饱和曲线S。
[0068]饱和曲线S对应于两个区域之间的界限，对于特定的熵，当焓大于饱和曲线S的焓时，水呈现干蒸汽形式，并且当焓小于饱和曲线S的焓时，水呈现饱和蒸汽(或者湿蒸汽)形式。干饱和蒸汽的名字被给予刚好位于饱和曲线S上的水的状态。湿蒸汽的含水量随着焓降低而增加，直到获得为I的含水量，此时所有的蒸汽相被冷凝为液态水。[0069]换句话说，对应于干的过热蒸汽的气态区域SI，饱和曲线S限定了饱和湿蒸汽的区域S2。
[0070]曲线A代表一种循环，其类似于用在法国凤凰发电站FNR的钠冷却快中子反应堆中的循环。
[0071]曲线B代表一种用在如本发明要求保护的钠冷却快中子反应堆FNR中的循环。
[0072]在现有技术的曲线A的循环中，来自反应堆的一个或多个蒸汽发生器的蒸汽处于大约500°C的温度以及大约180巴的压力下。
[0073]在特高压涡轮中、在点11和12之间的第一次膨胀后，蒸汽处于大约250°C的温度以及大约30巴的压力下。
[0074]蒸汽随后被过热至点13。在点12和13之间，温度从250°C增加到380°C，而压力整体上保持不变，为大约30巴。
[0075]蒸汽随后通过中压涡轮膨胀直到点14。在点13和14之间，压力从30巴降低到5巴，并且温度从380°C降低到180°C。
[0076]蒸汽随后通过低压涡轮膨胀至点15。
[0077]冷凝器和热交换器及泵的系统随后允许冷凝蒸汽被再次注入反应堆的蒸汽发生器内。
[0078]在如本发明要求保护的循环中，如图3所示，来自反应堆1、1'的蒸汽发生器2、2，的蒸汽处于大约500°C的温度以及大约180巴的压力下，该初始状态由点21示出，这与点11相符。
[0079]但是，在“核循环”中，初始点通常接近于饱和曲线S。
[0080]因此，第一次膨胀使在点21处处于500°C的温度以及180巴的压力下的蒸汽到达对应于点22的温度和压力的中间状态，特性接近于“传统的核循环”的初始点。
[0081]因此，第一次膨胀使蒸汽从点21到达点22，点22对应于处于饱和曲线S上方的“核循环”初始状态。
[0082]在图3中的点22处，蒸汽基本上处于280°C的温度以及40巴的压力下。
[0083]蒸汽在点22和点23之间被膨胀，在点23，蒸汽处于第一湿状态。
[0084]在点23处，蒸汽基本上处于170°C的温度和7巴的压力下。
[0085]蒸汽从其在点23处的第一湿状态被干燥和过热至用点24表示的第一干燥和过热状态，压力基本保持不变。
[0086]在点24处，蒸汽基本处于240°C的温度以及7巴的压力下。
[0087]蒸汽随后在点24和最终点25之间膨胀。
[0088]在点25处，蒸汽基本上处于35 °C的温度和60毫巴的压力下。
[0089]这些数值仅作为实例而给出，并且取决于蒸汽条件，假定热源处于点21处并且冷源处于点25处。
[0090]对于点21，它可以被设置成使蒸汽在“矿物燃料循环”初始状态处于被包含在450和570°C之间的温度以及被包含在150和200巴之间的压力下。
[0091]对于点22，它可以被设置成使蒸汽在第二次膨胀后处于被包含在234和300°C之间的温度以及被包含在30和50巴之间的压力下。
[0092]对于点23，它可以被设置成使第一湿状态的蒸汽在第二次膨胀后处于被包含在152和188°C之间的温度以及被包含在5和12巴之间的压力下。
[0093]对于点24，它可以被设置成蒸汽在干燥和过热后处于被包含在215和255°C之间的温度以及被包含在5和12巴之间的压力下。
[0094]对于点25，在第三次膨胀后，第二湿状态的蒸汽在一定温度下被冷凝，温度取决于用于反应堆的冷源。
【权利要求】
1.一种用于由钠冷却快中子反应堆产生的蒸汽的能量转化循环，其中，所述循环具有: 第一阶段，其中，来自与所述反应堆(I)相连的蒸汽发生器(2)的蒸汽进行第一次膨胀，以便使蒸汽从“矿物燃料循环”初始状态(21)到达所述蒸汽的温度和压力的中间状态，所述中间状态对应于“核循环”初始状态(22)， 第二阶段，其中，蒸汽从所述中间状态(22)进行第二次膨胀，直到获得处于蒸汽饱和曲线(S)下方的第一湿状态(23)的蒸汽， 第三阶段，其中，蒸汽从其第一湿状态(23)被干燥和过热，以便使其到达处于所述饱和曲线⑶上方的干燥和过热状态(24)，以及 第四阶段，其中，蒸汽从其过热状态(24)进行第三次膨胀至处于所述蒸汽饱和曲线(S)下方的第二湿状态(25)，蒸汽随后被冷凝并且被送回到所述蒸汽发生器。
2.根据权利要求1所述的循环，其中，处于其“矿物燃料循环”初始状态(21)的蒸汽处于被包含在150和200巴之间的压力以及被包含在450和570°C之间的温度下。
3.根据权利要求1或2所述的循环，其中，被包含在30巴和50巴之间的压力以及被包含在234和300°C之间的温度限定为所述中间状态(22)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的循环，其中，处于其第一湿状态(23)的蒸汽在第二次膨胀后处于被包含在152和188°C之间的温度以及被包含在5和12巴之间的压力下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的循环，其中，处于其干燥和过热状态(24)的蒸汽处于被包含在215和255°C之间的温度以及被包含在5和12巴之间的压力下。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的循环，其中，处于其最终状态(25)的蒸汽在一定温度下被冷凝，所述温度取决于所使用的冷源。
7.一种蒸汽涡轮装置，包括钠冷却快中子核反应堆(1，I')，其中，为实现如权利要求1至6中任一项所述的循环，所述装置包括: 至少一个蒸汽发生器(2，2')， 特高压/高温涡轮(3，3')，所述特高压/高温涡轮(3，3')被连接到所述核反应堆(1，1')的所述蒸汽发生器(2，2')上，其中，来自所述反应堆(1，I')的蒸汽发生器(2，2，)的蒸汽进行第一次膨胀，以便使蒸汽从“矿物燃料循环”初始状态(21)到达所述蒸汽的温度和压力的中间状态，所述中间状态对应于“核循环”初始状态(22)， 中间涡轮(4，3")，所述中间涡轮(4，3")被连接到所述特高压/高温涡轮(3，3')上并且部分地采用饱和蒸汽运行，其中，蒸汽从所述中间状态(22)进行第二次膨胀，直到获得处于蒸汽饱和曲线(S)下方的第一湿状态(23)的蒸汽， 干燥器(7，7')和过热器(8，8')，所述干燥器(7，7')和过热器(8，8')被连接到中间涡轮(4，3")上，其中，蒸汽从其第一湿状态(23)被干燥并且随后被过热，以使其到达处于所述饱和曲线(S)上方的干燥和过热状态(24)，以及 出口涡轮(5，4' ,5/ )，所述出口涡轮(5，4' ,5/ )被连接到所述干燥器(7，7')和所述过热器(8，8')上，其中，蒸汽从其过热状态(24)进行第三次膨胀至第二湿状态(25)，蒸汽随后被冷凝并且被送回到所述蒸汽发生器(2，2')。
8.根据权利要求7所述的蒸汽涡轮装置，其中，连接所述特高压涡轮(3，3')的出口和所述过热器(8，8')的管道(13,13')允许受热的蒸汽在所述特高压涡轮(3，3')的下游被抽出，所述蒸汽被所述过热器(8，8')使用。
9.根据权利要求7或8所述的蒸汽涡轮装置，其中，所述中间涡轮为高压涡轮(4)，并且所述出口涡轮为并联设置的低压涡轮(5)。
10.根据权利要求7或8所述的蒸汽涡轮装置，其中，所述中间涡轮为高压涡轮(3")，并且所述出口涡轮为中压涡轮(4')和并联设置的低压涡轮(5')。
11.根据权利要求10所述的蒸汽涡轮装置，其中，所述高压涡轮(3")和所述中压涡轮(4')被设置成组合单元。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的蒸汽涡轮装置，其中，所述特高压/高温涡轮(3，3')以及所述中间涡轮(4，3")被设置成使蒸汽在第一次膨胀和第二次膨胀后从处于被包含在150和200巴之间的压力和被包含在450和570°C之间的温度下的矿物燃料循环初始状态(21)膨胀至湿蒸汽状态(23)，所述湿蒸汽状态(23)的温度被包含在152和188°C之间，以及所述湿蒸汽状态(23)的压力被包含在5和12巴之间。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的蒸汽涡轮装置，其中，所述干燥器a，r)和所述过热器(8，8')允许蒸汽在第二次膨胀之后从温度被包含在152和188°C之间并且压力被包含在5和12巴之间的初始湿蒸汽状态(23)变成压力被包含在5和12巴之间并且温度被包含在215和255°C之间的干燥和过热状态(24)。
14.根据权利要求7、8、9、12和13中任一项所述的蒸汽涡轮装置，其中，所述特高压/高温涡轮⑶、所述中间涡轮⑷和所述出口涡轮(5)使产生小于1200MWe的电功率的交流发电机输入轴出)以网络频率转动。
15.根据权利要求7、8、10、11、12和13中任一项所述的蒸汽涡轮装置，其中，所述特高压/高温涡轮(3')、所述中间涡轮(3〃)和所述出口涡轮(4'，5')使产生大于1200MWe的电功率的交流发电机输入轴出')以网络频率的一半转动。
【文档编号】F01K25/00GK103670552SQ201310552440
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2012年9月19日
【发明者】F·拉马奎, B·雷纳德 申请人:阿尔斯通技术有限公司