CN103818978B - 一种高温气冷堆核发电及海水淡化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种高温气冷堆核发电及海水淡化装置，是在高温气冷堆的周围布置多组斯特林发电机和相同数量的换热器。一个换热器经一根氦气回路管连通高温气冷堆，一组斯特林发电机的热量流入端气缸及气缸与回热器连接管置于同一个换热器内，一组斯特林发电机的热量流出端气缸及气缸与回热器连接管置于同一个海水蒸发罐内，发电机置于热量流出端中央的二级密封腔内。一个淡水冷凝器安在一个海水蒸发罐上。构成了多组能独立运行的斯特林发电机组。电、淡水、海盐联产，相当于一个发电厂、一个海水淡化厂、一个晒盐场三位一体。没有任何排放，资源利用率高，经济安全环保。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种核发电及海水淡化装置，具体为一种高温气冷堆核发电及海水淡化装置。
背景技术
能源短缺、水源枯竭、环境污染已成全人类共同关注的热点，开发清洁能源淡化海水是解决能源水源问题和保护环境的必由之路。除了太阳能、生物质能、水能等可再生能源之外，在保证安全的前提下，核能是一种清洁能源。第四代核能系统高温气冷堆是很安全的热核反应堆。但是，将反应堆热能转化成电能一直使用蒸汽轮发电机。高温气冷堆温度高达1600℃，一回路氦气出口温度在700℃以上。目前还没有直接利用如此高的温度发电的热机，唯有斯特林发电机具有高效利用如此高的温度发电的潜在能力。
斯特林发电机能充分利用高温气冷堆温度高的优势，是因为斯特林发电机的热源温度越高热机效率越高，而且在海水冷却热量流出端时得到淡水。中国专利一种利用余热淡化海水的斯特林发电机(2014100264527)提供了高效利用高温气冷堆热能发电和分离海水的技术。
斯特林发电机取代蒸汽轮发电机不是简单的热机替换，而是一次技术飞跃，最大限度地利用了核能和海水资源。这种高温气冷堆与斯特林发电机的组合相当于一个发电厂、一个海水淡化厂、一个晒盐场三位一体。有利于环境保护，经济效益显著。
发明内容
本发明的目的是利用高温气冷堆直接向斯特林发电机的热量流入端供给热量，利用海水在斯特林发电机的热量流出端吸收热量，发电的同时，海水分离成淡水和盐。
为了实现上述目的，本发明的方案是：其结构包括高温气冷堆、换热器、氦气回路管、斯特林发电机、风机、海水蒸发罐、淡水冷凝器、海水流入管、海盐排出阀、淡水流出管。其特征在于：所述高温气冷堆的周围分布多组斯特林发电机和相同数量的换热器。一个换热器经一根氦气回路管连通高温气冷堆；同一组斯特林发电机的热量流入端气缸及其热量流入端气缸与回热器连接管置于同一个换热器内；同一组斯特林发电机的热量流出端气缸及其热量流出端气缸与回热器连接管置于同一个海水蒸发罐内；一组斯特林发电机的热量流出端气缸及气缸与回热器连接管置于同一个海水蒸发罐内；发电机置于热量流出端中央的二级密封腔内。一个淡水冷凝器安在一个海水蒸发罐上。淡水冷凝器风道进风口在淡水冷凝器上部中心，淡水冷凝器风道出风口在淡水冷凝器上部呈环形。一个淡水冷凝器风道进风口安装一台风机和一根海水流入管，一个淡水冷凝器底安一根淡水流出管。一个海水蒸发罐底安装一个海盐排出阀。构成多组能独立运行的斯特林发电机组。
所述高温气冷堆包括反应堆主体及其控制系统。
所述每一个换热器内有氦气风机、同一组热量流入端气缸及其热量流入端气缸与回热器连接管。
所述氦气回路管具有氦气流入高温气冷堆和氦气流出高温气冷堆形成回路的通道。
所述斯特林发电机是斯特林可逆热机作发电机，回热器采用换热式回热器，控制系统采用工作腔增压的斯特林发动机控制系统，工作腔连接采用多环连接方式。
所述斯特林发电机工质为氦气。
本发明的优点在于：一是电、淡水、海盐联产，没有任何排放，资源利用率 高，经济安全环保；二是海水冷却斯特林发动机热量流出端的冷却效果好、温度低，热机强化程度高，热机效率高；三是斯特林发电机比蒸汽轮发电机结构简单紧凑，制造成本和运行费用降低；四是氦气取代水作工质，取消了水处理设备，设备可靠性提高。
附图说明
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明总体结构示意图；
图2是本发明特征结构示意图；
图3是本发明热力学计算截图。
图2中，1、控制棒传动机构，2、高温气冷堆，3、氦气回路管，4、换热器，5、海盐排出阀，6、海水蒸发罐，7、淡水流出管，8、淡水冷凝器风道出风口，9、淡水冷凝器风道进风口，10、风机电机，11、淡水冷凝器，12、海水流入管。
具体实施方式
本实施例是用清华大学研发的10MW高温气冷堆作热源，配置四组六工作腔双环连接的斯特林发电机，组成一套高温气冷堆核发电及海水淡化装置。四组六工作腔双环连接的斯特林发电机对称分布在高温气冷堆周围。一组斯特林发电机的热量流入端气缸及气缸与回热器连接管置于同一个换热器内；一个换热器经一根氦气回路管连通高温气冷堆；一组斯特林发电机的热量流出端气缸及气缸与回热器连接管置于同一个海水蒸发罐内；一个淡水冷凝器安在一个海水蒸发罐上。图1是总体结构示意图。因为四组斯特林发电机完全相同。选取其中一组斯特林发电机与高温气冷堆的配合说明即可。
图2表明了这种配合的特征结构。高温气冷堆2上有控制棒传动机构1。换热器4由氦气回路管3连通高温气冷堆2。斯特林发电机的热量流入端气缸及气缸与回热器连接管置于换热器4内；斯特林发电机的热量流出端气缸及气缸与回热器连接管置于海水蒸发罐6内；发电机置于热量流出端中央的二级密封腔内。淡水冷凝器11安在海水蒸发罐6上。淡水冷凝器风道进风口9安装风机电机10和海水流入管12，淡水冷凝器11底安淡水流出管7。淡水冷凝器风道出风口8呈环形，位于淡水冷凝器11上部。海盐排出阀5安装在海水蒸发罐6底部。
清华大学研发的10MW高温气冷堆技术参数：热功率10MW，氦气回路压力3MPa，氦气入口温度250/300℃，氦气出口温度700/900℃，燃料球数目27000个。按照35％的热能转变为电能计算，电功率为3.5MW。用四组斯特林发电机，每组电功率在0.8MW到0.9MW之间。设定工作参数：最高工作压力P2为9MPa，热机效率为0.3，热量流入端温度T2为973.15K，热量流出端温度T1为353.15K，转速N为900转/分。确定主要结构参数：缸径0.2m、冲程0.15m。
图3是一个工作腔的热力学计算，输出电功率Power为0.142MW，吸热功率Ph为0.4734MW，散热功率PC为0.3314MW，最低工作压力P1为3.244MPa。
一组机组共有六个工作腔，输出电功率为0.852MW，总吸热功率2.8404MW，总散热功率1.9884MW。共有四组斯特林发电机，整套装置输出电功率为3.408MW、散热功率为1.3256MW。
本发明的工作过程是：高温气冷堆2控制系统发出的控制信号经控制棒传动机构1控制堆芯发热功率。换热器4内的氦气风机运转，形成换热器4内氦气经氦气回路管3到高温气冷堆2堆芯，再经氦气回路管3回到换热器4的回路，将热量输运到换热器4内加热热量流入端气缸及气缸与回热器连接管。热量流入端气缸及气缸与回热器连接管内的氦气吸热，完成了高温气冷堆2到斯特林发电机的热交换。斯特林发电机六个工作腔按斯特林循环工作，热机转子带动 发电机转动发电。热量流出端气缸及气缸与回热器连接管内氦气因压缩放热，海水由海水流入管12进入海水蒸发罐6内，冷却热量流出端气缸及气缸与回热器连接管。启动风机电机10，空气从淡水冷凝器风道进风口9通入海水蒸发罐6内海水液面以下，将水蒸气带到淡水冷凝器凝结成水后，经淡水冷凝器风道出风口8吹向淡水冷凝器散热片。冷凝水由淡水冷凝器11底的淡水流出管7流出。不断补充海水，使海水蒸发罐6内海水液面保持稳定。随着海水不断浓缩，盐分在海水蒸发罐6底部结晶析出达到一定量时，打开海盐排出阀5排出海盐。四组斯特林发电机同时工作，10MW高温气冷堆满负荷运行。
Claims (4)
1.一种高温气冷堆核发电及海水淡化装置，包括高温气冷堆、换热器、氦气回路管、斯特林发电机、风机、海水蒸发罐、淡水冷凝器、海水流入管、海盐排出阀、淡水流出管，其特征在于：所述高温气冷堆的周围分布多组斯特林发电机和相同数量的换热器，一个换热器经一根氦气回路管连通高温气冷堆，同一组斯特林发电机的热量流入端气缸及其热量流入端气缸与回热器连接管置于同一个换热器内，同一组斯特林发电机的热量流出端气缸及其热量流出端气缸与回热器连接管置于同一个海水蒸发罐内，发电机置于热量流出端中央的二级密封腔内，一个淡水冷凝器安在一个海水蒸发罐上，淡水冷凝器风道进风口在淡水冷凝器上部中心，淡水冷凝器风道出风口在淡水冷凝器上部呈环形，一个淡水冷凝器风道进风口安装一台风机和一根海水流入管，一个淡水冷凝器底安一根淡水流出管，一个海水蒸发罐底安装一个海盐排出阀，构成多组能独立运行的斯特林发电机组。
2.根据权利要求1所述的一种高温气冷堆核发电及海水淡化装置，其特征在于：所述高温气冷堆包括反应堆主体及其控制系统。
3.根据权利要求1所述的一种高温气冷堆核发电及海水淡化装置，其特征在于：所述每一个换热器内有氦气风机、同一组热量流入端气缸及其热量流入端气缸与回热器连接管。
4.根据权利要求1所述的一种高温气冷堆核发电及海水淡化装置，其特征在于：所述氦气回路管具有氦气流入高温气冷堆和氦气流出高温气冷堆形成回路的通道。
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