紧凑式开式空气布雷顿循环系统及方法与流程

1.本发明属于移动式核电源技术领域，具体涉及一种应用于移动式核电源的紧凑式开式空气布雷顿循环系统及方法。


背景技术：

2.移动式核电源应用于具有临时用电需求的场景，主要包括灾区现场、无人海岛等特殊场景。该部分场景具有物资缺乏、地处偏远等特点。
3.移动式核电源为集成式核电源，采用核反应堆作为热源，整个反应堆及动力系统集成于集装箱中，具有可移动、启动迅速等特点。
4.在常规核动力系统中，一般采用闭式的循环系统，工质在热源处进行吸热，在透平中膨胀做功，在冷源处放热冷凝或冷却，工质并不与外界相通。因此在移动核电源中应用常规工质存在泄漏风险，并且移动式核电源应用场景特殊，工质泄露后并不能保证可以及时补充，工质泄露会严重影响移动核电源的运行可靠性。
5.在常规核动力系统中，一般应用水蒸气作为循环系统的工质，工质选择性单一，特别是其安全系统，需要大量水源来冷却反应堆，因此常规核动力系统在缺水地区的应用受限。
6.在常规核动力系统中，系统设计较为复杂、设备多、设备的辅助要求多导致辅助系统较为繁杂，装置整体尺寸大、重量大，且难以或不具备移动性能。
7.在常规核动力系统中，因系统繁杂，启停周期较长，启停阶段准备工作较多，通常难以快速启动和停堆。
8.因此，对于移动式核电源，常规动力系统并不适用。


技术实现要素：

9.本发明提供了一种应用于移动式核电源的紧凑式开式空气布雷顿循环系统。本发明为移动式核电源提供安全可靠的动力系统。
10.本发明通过下述技术方案实现：
11.应用于移动式核电源的紧凑式开式空气布雷顿循环系统，包括压气机、透平、备用压气机、启发一体电机、备用电机和蓄电池；
12.其中，所述启发一体电机、压气机和透平依次同轴连接；所述启发一体电机和所述备用电机均由所述蓄电池供电；
13.所述启发一体电机作为电动机运行时，通过所述压气机和透平带走核反应堆换热器热量，进行透平排气；
14.所述启发一体电机作为发电机运行时，对外供电或为所述蓄电池进行充电；
15.所述启发一体电机停止运行，所述备用电机运行时，所述备用电机带动所述备用压气机直接带走核反应堆换热器中停堆后热量，通过所述核反应堆换热器的排气口进行排气。
16.优选的，本发明的系统采用的运行工质为空气。
17.优选的，本发明的系统适用于空气温度为-15℃～55℃，海拔范围为0～5000m的工作场景。
18.优选的，本发明的系统还包括滤网；
19.所述滤网设置在所述压气机的工质入口，将运行工质过滤后输入至所述压气机中进行压缩。
20.优选的，本发明的系统还包括消音装置；
21.所述消音装置设置在所述透平的排气口，用于消除所述透平的排气噪声。
22.优选的，本发明的系统还包括集装箱；
23.所述系统的各部件集成布置在所述集装箱内。
24.优选的，本发明的启发一体电机、压气机和透平通过联轴器或直联方式实现轴连接。
25.优选的，本发明的系统与核反应堆换热器之间还设置有屏蔽结构，用于防止空气活化。
26.第二方面，本发明还提出了基于上述应用于移动式核电源的紧凑式开式空气布雷顿循环系统的方法(正常运行)，包括：
27.系统启动时，反应堆还未启动，此时所述启发一体电机作为电动机运行，带动所述压气机启动，所述压气机吸入空气并对其进行压缩，压缩空气经换热器进入所述透平进行膨胀做功并排出；
28.随着反应堆启动及功率不断提升，进入所述透平中空气温度不断提升，当所述透平输出功大于所述压气机消耗功时，所述启发一体电机转为发电机运行，将轴功转换为电能对外供电或为所述蓄电池进行充电；
29.系统停止，反应堆逐渐停堆，初期通过所述压气机和透平带走反应堆换热器热量，当所述透平输出功小于所述压气机消耗功时，所述蓄电池带动所述备用电机使所述备用压气机运行，直接带走核反应堆换热器中停堆后热量，通过核反应堆换热器的排气口排气；
30.所述备用压气机可持续运行，直至核反应堆换热器的热量降至预设水平，之后所述备用电机和备用压气机停止运行。
31.第三方面，本发明还提出了基于上述应用于移动式核电源的紧凑式开式空气布雷顿循环系统的方法(紧急情况)，包括：
32.在核反应堆紧急停堆时，前期通过所述压气机和透平配合带走核反应堆换热器的主要热量；
33.当所述压气机和透平不能自持时通过所述蓄电池带动所述备用电机使所述备用压气机带走核反应堆换热器中剩余热量，直至核反应堆停堆结束。
34.本发明具有如下的优点和有益效果：
35.1、本发明提供的应用于移动式核电源的紧凑式开式空气布雷顿循环系统，采用开式循环系统设置可有效避免工质泄漏影响循环系统效率的问题。
36.2、本发明采用空气作为循环系统工质，适用范围广泛，解决了移动式核电源移动过程中的工质输运及工质储存问题，减少了设备输运重量。
37.3、本发明采用小型设备及紧凑式布置可配合移动式核电源，可集成于集装箱中，
具有快速移动的功能，可为移动式核电源提供配套的动力系统实现电力供应。
38.4、本发明辅助系统及装置少且辅助系统简单，可实现空气布雷顿系统的快速启停。
39.5、本发明设置有备用压气机，可为移动式核电源反应堆提供稳定的冷却空气，保证了反应堆的安全启停。
40.6、本发明与反应堆间设置有良好的屏蔽，可避免空气活化。
附图说明
41.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
42.图1为本发明的系统结构示意图。
43.附图中标记及对应的零部件名称：
44.1-压气机，2-透平，3-备用压气机，4-启发一体电机，5-备用电机，6-蓄电池，7-滤网，8-消音装置，9-屏蔽结构，10-换热器，11-排气口。
具体实施方式
45.在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
46.在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。
47.在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
48.应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
49.在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语
(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
50.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
51.实施例
52.本实施例提供了一种应用于移动式核电源的紧凑式开式空气布雷顿循环系统，为移动式核电源提供安全可靠的动力系统，并未移动核电源反应堆提供安全功能。
53.具体如图1所示，本实施例的系统主要包括压气机1、透平2、备用压气机3、启发一体电机4、备用电机5、蓄电池6、相关阀门、管道及仪表等；
54.其中，启发一体电机4通过联轴器或直连方式与压气机1、透平2轴连接；压气机1、透平2随着启发一体电机4一起转动。
55.启发一体电机4作为电动机运行时，通过压气机1和透平2带走核反应堆换热器热量，进行透平排气；
56.启发一体电机4作为发电机运行时，对外供电或为蓄电池6进行充电；启发一体电机4运行时，通过核反应堆换热器10的排气口11进行功率调节。
57.启发一体电机4停止运行，备用电机5运行时，备用电机5带动备用压气机3直接带走核反应堆换热器中停堆后热量，通过核反应堆换热器10的排气口11进行排气。
58.本实施例的启发一体电机4和备用电机5由蓄电池6供电。
59.本实施例的系统采用的运行工质为空气，无需设置工质净化和相关辅助系统。
60.本实施例的系统适用于空气温度为-15℃～55℃，海拔范围为0～5000m的工作场景。
61.本实施例的蓄电池6采用具有充放电功能的蓄电池。
62.本实施例的系统还包括滤网7、消音装置8等辅助设备。其中，滤网7用于对进入压气机1的空气进行过滤；消音装置8设置在透平2的排气口，用于消除排气噪声。
63.本实施例的系统集成布置在集装箱内。
64.本实施例的系统与核反应堆换热器10之间设置有屏蔽结构9，用于防止空气活化。
65.本实施例的系统工作过程包括正常运行工况和紧急停堆工况，具体为：
66.(1)正常运行工况下
67.系统启动时，反应堆还未启动，由蓄电池6给启发一体电机4供电，此时启发一体电机4作为电动机运行，带动压气机1启动，空气经滤网7过滤后进入压气机1进行压缩，之后经核反应堆的换热器进入透平2进行膨胀做功并排出，该阶段为反应堆启动前准备阶段；
68.随着反应堆启动及功率不断提升，进入透平2中的空气温度不断提升，当透平2输出功大于压气机1耗功时，则启动一体电机4转为发电机运行，将轴功转换为电能并输出预设等级的电能；正常运行时，因透平2排气速度较高，噪音较大，可通过消音装置8降低排气噪音水平；当系统正常运行时，发电系统(即启动一体电机4作为发电机运行，产生电能)对外供电或为蓄电池6进行充电。
69.系统停止时，反应堆已经逐渐停堆，系统停止初期，与正常运行时一致，通过压气
机1与透平2带走反应堆换热器热量，当透平2输出功小于压气机1耗功时，蓄电池6带动备用电机5使备用压气机3运行，直接带走核反应堆换热器中停堆后热量，通过核反应堆换热器排气口11排气至大气中。备用压气机3可持续运行，直至核反应堆换热器热量降至规定水平，之后备用电机5与备用压气机3停止运行。
70.备用压气机3运行期间，紧凑式开式布雷空气系统可执行移动功能。
71.(2)紧急停堆工况下
72.当反应堆紧急停堆时，前期通过压气机1与透平2配合带走核反应堆换热器的主要热量，当压气机1和透平2不能自持时通过备用电机5带动备用压气机3带走反应堆换热器中剩余热量，直至反应堆停堆结束。
73.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。