一种高温气冷堆联合循环发电一体化系统

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 在能量转换压力壳上部的发电机组相连。
2.权利要求1所述的一种高温气冷堆联合循环发电一体化系统，其特征在于：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。
3.按照权利要求1或2所述的一种高温气冷堆联合循环发电一体化系统，其特征在于： 所述预冷器设置在能量转换压力壳底部，并靠近低压压气机的进气口。

技术领域\n本发明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，属于核能发电技术领域。\n背景技术\n高温气冷堆由于其固有安全性与较好的经济性倍受全世界核能界关注。目前，各国都在 研究高温气冷堆在核电领域中的应用，如美国的GT-MHR；南非的PBMR；日本的高温气冷试验 堆HTTR以及我国清华大学核能技术设计研究院的10MW高温气冷堆HTR-10。\n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。\n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，China：2～4，1998.”。\n文献“H.Barnert，K.Kugeler.HTR Plus Modern Turbine Technology For Higher Efficiencies，IAEA-TECDOC-899，Proceedings of a Technical Committee meeting held in Beijing，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。\n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。\n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。\n发明内容\n针对现有技术的状况，本发明的目的是提供一种高温气冷堆联合循环发电一体化系统， 使其不仅具有结构紧凑、布局合理，安装与维修方便的特点，而且能够满足高温气冷堆模块 化、小型化和安全性的要求。\n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。\n在上述方案的基础上，本发明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。\n本发明具有以下优点及有益效果：\n①一体化设计：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。\n②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。\n③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。\n④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。\n附图说明\n图1为本发明的循环原理示意图。\n图2为本发明的高温气冷堆联合循环发电一体化系统结构示意图。\n具体实施方式\n下面结合附图进一步说明本发明的工作过程及实施方式：\n图1为高温气冷堆联合循环系统原理示意图。该系统主要包括由堆芯14、气体透平10、 余热锅炉9、回热器3、预冷器1、低压压气机13、高压压气机12和中间间冷器2组成的一 回路以及发电机组7，本发明提供的高温气冷堆联合循环发电系统，采用一体化结构，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压力壳中，称之为能量转换压力壳 6。即将一回路中的气体透平10、高压压气机12、低压压气机13、余热锅炉9、回热器3、 预冷器1、中间冷却器2和发电机组7采用单轴立式布置于一个能量转换压力壳6中，并且 使气体透平、高压压气机、低压压气机处于同一轴上，通过联轴节8与发电机组7相连(连 接透平转子与发电机转子)。布置于能量转换压力壳6内的部件的安装位置由上至下依次为： 发电机组、气体透平、高压压气机和低压压气机，在气体透平的周围布置余热锅炉9，该余 热锅炉应尽量靠近气体透平的排气口；回热器3布置于余热锅炉下方，回热器热端入口与余 热锅炉9的出口相连接，其回热器冷端入口与高压压气机12的出口相连；预冷器1布置在能 量转换压力壳6的最底部，靠近低压压气机13的进气口。\n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。