一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法与流程

文档序号:23008314发布日期:2020-11-20 12:03阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统,其特征在于,包括超临界二氧化碳(supercriticalcarbondioxide,以下简称s-co2)回路(1)、低温回热器(2)、控制阀(3)、流量计(4)、冷却器(5)、常温压缩机(6)、中温压缩机(7)、第一压力水/s-co2换热器(8)、偏滤器(9)、第一水冷回路(10)、真空室(11)、第二水冷回路(10’)、第二压力水/s-co2换热器(8’)、中温回热器(12)、高温回热器(13)、包层(14)、氦冷回路(15)、氦/s-co2换热器(16)、透平(17)和电网(18);其中,低温回热器(2)低压侧出口段经s-co2回路(1)通过t形管分为两条支路,一条支路联接于冷却器(5)入口,控制阀(3)和流量计(4)安装于冷却器(5)入口段,冷却器(5)出口端联接至常温压缩机(6),常温压缩机(6)出口段通过t形管分别联接于第一压力水/s-co2换热器(8)的s-co2侧入口和低温回热器(2)的高压侧入口,s-co2回路(1)t形管的另一条支路联接于中温压缩机(7)入口;偏滤器(9)压力水出口联接于第一水冷回路(10),第一水冷回路(10)出口联接于第一压力水/s-co2换热器(8)的压力水入口,第一压力水/s-co2换热器(8)压力水出口联接于偏滤器(9)的压力水入口;第一压力水/s-co2换热器(8)的s-co2高压侧出口联接于第二压力水/s-co2换热器(8’)的s-co2高压侧入口,第二压力水/s-co2换热器(8’)的s-co2高压侧出口段与低温回热器(2)高压侧出口段经t形管联接至中温回热器(12)的高压侧入口;真空室(11)压力水出口联接于第二水冷回路(10’),第二水冷回路(10’)压力水出口联接于第二压力水/s-co2换热器(8’)的压力水入口,第二压力水/s-co2换热器(8’)压力水出口联接于真空室(11)压力水入口;中温压缩机(7)出口段与中温回热器(12)高压侧出口段通过t形管联接于高温回热器(13)高压侧入口,高温回热器(13)高压侧出口段联接于氦/s-co2换热器(16)的s-co2入口,氦/s-co2换热器(16)的氦出口联接于氦冷回路(15),氦冷回路(15)的出口联接于包层(14)的氦气入口,包层(14)的氦气出口联接于氦/s-co2换热器(16)的氦气入口,氦/s-co2换热器(16)的s-co2出口段联接于透平(17)的入口端,透平(17)的出口端联接于高温回热器(13)低压侧入口,高温回热器(13)低压侧出口联接于中温回热器(12)的低压侧入口,中温回热器(12)的低压侧出口联接于低温回热器(2)低压侧入口,透平(17)产生的电输送至电网(18)。

2.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统,其特征在于:所述低温回热器(2)低压侧流出的s-co2通过t形管分为两条支路,一条支路流入冷却器(5),冷却至33℃以满足常温压缩机(6)的要求,升温升压后用于低温回热器(2)高压侧换热和冷却偏滤器(9)和真空室(11)的核热,其质量流率仅占总质量流率的20%,从而大大降低了冷却全部s-co2工质所耗费的能量和对冷却设备的高需求,极大地提高了系统热效率。

3.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统,其特征在于:所述低温回热器(2)低压侧s-co2的温度应高于高压侧,以免形成两侧负温差效应,即当高压侧温度大于低压侧时,由于传热方向相反损失能量而降低热效率,且两侧温差不宜过大,以免给回热壁面造成过高的热应力,经低温回热器(2)换热后,低压侧s-co2降温而高压侧s-co2升温,提高了热循环利用效率。

4.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统,其特征在于:所述中温回热器(12)低压侧s-co2进一步加热了由偏滤器(9)和真空室(11)升温后的高压侧s-co2,且两侧温差满足非负温差和尽量低的热梯度要求,避免了回热壁面过高的热应力,经中温回热器(12)换热后,低压侧s-co2降温而高压侧s-co2升温,提高了热循环利用效率。

5.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统,其特征在于:经中温压缩机(7)升温升压的s-co2与中温回热器(12)高压侧汇合,在高温回热器(13)内换热,低压侧s-co2降温而高压侧s-co2进一步升温,使流入包层(14)的冷却剂s-co2入口温度大于300℃,且两侧温差满足非负温差和尽量低的热梯度要求,避免了回热壁面过高的热应力,极大地提高了热循环利用效率。

6.一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤s1:s-co2由低温回热器(2)降温后由低压侧流入s-co2回路(1),通过t形管分为两条支路,一条支路流入冷却器(5),由控制阀(3)和流量计(4)控制和显示质量流率,通过冷却器(5)进一步降温后流入常温压缩机(6),由其升高温度和压力至预定值后通过t形管分别流入低温回热器(2)高压侧和第一压力水/s-co2换热器(8),低温回热器(2)内高、低压两侧s-co2换热,第一压力水/s-co2换热器(8)内低温s-co2与经第一水冷回路(10)的冷却偏滤器(9)核热产生的高温压力水换热;

步骤s2:由第一压力水/s-co2换热器(8)升温后的s-co2流入第二压力水/s-co2换热器(8’),在其内s-co2与经第二水冷回路(10’)的冷却真空室(11)核热产生的高温压力水换热;

步骤s3:低温回热器(2)和第二压力水/s-co2换热器(8’)升温后的s-co2经t形管汇合后流入中温回热器(12)高压侧,在其内高、低压两侧s-co2换热;

步骤s4:s-co2回路(1)t形管的另一条支路中的s-co2流入中温压缩机(7),由其升高温度和压力至预定值后与中温回热器(12)升温后的s-co2通过t形管汇合后流入高温回热器(13),在其内高、低压两侧s-co2换热;

步骤s5:高温回热器(13)高压侧s-co2流入氦/s-co2换热器(16),在其内s-co2与经氦冷回路(15)的冷却包层(14)核热产生的高温氦气换热,氦/s-co2换热器(16)流出升至高温的s-co2进入透平(17)发电,产生的电力输送至电网(18);

步骤s6:通过透平(17)发电后的s-co2降温、降压后流入高温回热器(13)低压侧入口,换热降温后由高温回热器(13)低压侧出口流入中温回热器(12)的低压侧入口,再次换热降温后由中温回热器(12)的低压侧出口流入低温回热器(2)低压侧入口,第三次换热降温后由低温回热器(2)低压侧出口输出,形成s-co2循环。


技术总结
本发明公开了一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法。针对聚变堆包层、偏滤器和真空室不同核热源的不同冷却工质条件,采用S‑CO2经低温回热器、中温回热器和高温回热器的三级高压侧逐级回热升温和低压侧逐级回热降温,选择20%的S‑CO2进行冷却后升压升温用于低温加热器的回热和偏滤器、真空室的冷却,既满足了对堆内三类部件不同热源的不同冷却工质运行要求,避免了回热时的负温度效应,又有效地利用了所有堆内部件的热源,极大地提高了热能利用效率,与现行的设计大多仅利用载出包层核热的氦气与二回路压力水换热的朗肯循环系统发电相比,聚变堆的热电效率由30%提高到41%,具有结构简单、成本低、热效率高等显著优点。

技术研发人员:汪卫华;刘胜;沈欣媛;杨薇;贺胜男;芦伟;任珍珍;杨锦宏;储德林;宁洪伟;陆野;陈志鹏;桂腾;徐敬坤;章美娟;张数峰
受保护的技术使用者:安徽大学
技术研发日:2020.08.21
技术公布日:2020.11.20
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