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CN112967826A - 一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统及发电方法 - Google Patents

一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统及发电方法 Download PDF

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CN112967826A
CN112967826A CN202110147932.9A CN202110147932A CN112967826A CN 112967826 A CN112967826 A CN 112967826A CN 202110147932 A CN202110147932 A CN 202110147932A CN 112967826 A CN112967826 A CN 112967826A
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China
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hot oil
cold
oil pump
fusion reactor
heat
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Application number
CN202110147932.9A
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梁展鹏
向魁
林燕
谭灿燊
施海云
王晓东
朱光涛
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China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co Ltd
Original Assignee
China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co Ltd
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    • G21D5/04—Reactor and engine not structurally combined
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明提供了一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统及发电方法，包括一回路、储能回路以及二回路；所述一回路包括聚变堆和连接在聚变堆的高温水出口的储热换热器，储热换热器的冷水出口与所述聚变堆的入水口连接；储能回路包括依次与储热换热器的热油出口连接的热油储罐、蒸汽发生器和冷油储罐，冷油储罐的冷油出口与储热换热器的冷油进口连接；蒸汽发生器的蒸汽出口与所述二回路连接；储热换热器的冷水出口通过一回路水泵与聚变堆的入水口连接。本发明的用于聚变堆的油储能解耦发电系统的运行持续性、安全性、稳定性高，使得聚变堆具有持续稳定输出能力，确保二回路蒸汽参数的稳定性，进一步保障汽轮发电机持续稳定输出，提高发电品质。

Description

一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统及发电方法
技术领域
本发明涉及核能技术应用领域，具体涉及一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统及发电方法。
背景技术
聚变堆，即核聚变反应堆，在高温、高压和高密度的条件下，两个质量较小的原子核结合成质量较大的新核，反应的同时会释放出巨大能量的新型核反应堆型。核聚变(nuclear fusion)，又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核是指由质量小的原子，主要是指氘/氚，在一定条件下(如超高温、高压、高密度——三重积条件)，只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核(如氦)，在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出大量电子和中子，与此同时伴随着巨大的能量释放。
可控核聚变，指的是在一定约束区域内，有控制地产生并进行轻核聚变。核聚变均由能量密度大、清洁、燃料丰富、安全性高等突出优点，其中可控核聚变，俗称“人造小太阳”，将是人类未来开发利用的终极能源。现有技术中主要受控核聚变方式有：磁约束核聚变(托卡马克)、激光约束(惯性约束)核聚变、超声波核聚变等，目前可行性较大的可控核聚变反应装置就是托卡马克装置。
托卡马克(Tokamak)，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)，是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代首先发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈，在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，约束并加热腔体中的等离子体，当满足三重积条件(温度、压力、密度)时，即发生可控聚变反应。
在核聚变反应过程中，需要对核聚变产生的热量不断的冷却；具体设置为聚变堆包层，指核聚变堆中包围在反应堆外层的保护冷却层，作用是对聚变堆进行不断冷却，并将反应堆热量带出。其中，按冷却剂形式，可有多种包层冷却介质，其中应用发电领域的主要考虑水冷包层与氦冷包层，即分别采用水、油作为冷却介质。
聚变堆发电，指利用核聚变反应产生的热量转换为电力的技术，即聚变堆包层循环冷却介质输送出核聚变的反应热，通过换热器加热水并使之转换为较高参数的蒸汽，蒸汽进而驱动汽轮机发电的技术。
导热油，用于间接传递热量的一类热稳定性较好的专用油品。常见的储能传热导热油，多为合成油型，即多种油品混合而成，例如联苯－联苯醚型、氢化三联苯型、二苄基甲苯型、烷基苯型等，一般最高工作温度范围在300～400℃，凝固点在-10℃以下。
目前聚变反应有多种形式，包括氘-氘(D-D)反应，氘-氚(D-T)反应，氘-氦3(D-He3)反应等，而目前聚变界普遍认为(D-T)反应是最容易实现的聚变反应，因为它要求的三重积最低，也就是说要求的反应条件最容易达到，是当前主流科研应用方向，例如可控聚变堆的试验研究以及工程应用。
核聚变的工程应用面非常广阔，正在探索工程应用的可行性，其中聚变堆发电是重点关注领域。由于聚变堆控制技术尚不成熟，仍处于研究阶段，且聚变堆的反应要求及其苛刻，聚变堆可控性或者稳定性存在一定问题，也给聚变堆发电应用带来一定困难。
目前核聚变的包层设计主要考虑水冷包层与氦冷包层，即采用水或者氦气作为核聚变的冷却介质，带出核聚变所产生的热量。这部分热量可通过换热器，可以将水转换为水蒸汽，并将水蒸气送入到蒸汽轮机中进行做功，从而产生电能。聚变堆采用水作为包层冷却介质，则介质温度范围为290～325℃；若采用氦气作为包层冷却介质，则氦气介质为290～600℃。
现有技术中采用托克马克的聚变堆能量输出特性难以与常规发电机组运行要求相匹配，也无法满足电网稳定性要求。而且，在一定时期内聚变堆(托克马克)的脉冲式输出特性难以得到根本性改变。且具有以下缺点：聚变堆具有能量输出间断性特性，该特性使得汽轮发电机无法保障持续稳定输出，发电品质较差；聚变堆间断性输出，使得二回路蒸汽参数波动较大，常规汽轮发电机组难以适用，需要进行特殊设计或改造，造成设备成本较高。且这种长期运行状态，对汽轮发电机的安全运行造成影响，对发电设备形成巨大冲击，缩减设备寿命，也会造成后期设备运维管理费用；聚变堆周期性输出，发电机组发电负荷也随之周期性变化，这对电网也形成巨大震荡冲击，可能引起电网的不稳定。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统；本发明的另外一个目的在于提供一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统的发电方法。
本发明的用于聚变堆的油储能解耦发电系统的技术方案为：
一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统，包括一回路、储能回路以及二回路；
所述一回路包括聚变堆和连接在聚变堆的高温水出口的储热换热器，所述储热换热器的冷水出口与所述聚变堆的入水口连接；
所述储能回路包括依次与所述储热换热器的热油出口连接的热油储罐、蒸汽发生器和冷油储罐，所述冷油储罐的冷油出口与储热换热器的冷油进口连接；
所述蒸汽发生器的蒸汽出口与所述二回路连接；
所述聚变堆工作时产生的高温水流动至储热换热器，所述冷油储罐的冷油进入储热换热器内与高温水换热形成热油，该热油进入储能回路的热油储罐，所述热油储罐的部分热油留存热油储罐内储能，所述热油储罐的另外一部分热油进入蒸汽发生器与二回路的冷水换热；
所述聚变堆间歇停止时，所述热油储罐留存的部分热油进入蒸汽发生器与二回路的水换热，所述蒸汽发生器内换热之后形成的冷油进入冷油储罐；
所述储热换热器的冷水出口通过一回路水泵与聚变堆的入水口连接。
作为优选方案，所述热油泵的入口处设有热油泵前阀，所述热油泵的出口处设有热油泵后阀；
所述冷油泵的入口处设有冷油泵前阀，所述冷油泵的出口处设有冷油泵后阀；
所述聚变堆工作时，所述冷油泵和所述热油泵开启，所述热油泵前阀和所述热油泵后阀均开启，冷油由冷油泵驱动至储热换热器内换热形成热油，热油由储热换热器流动至热油储罐内；
所述聚变堆间歇停止时，所述热油泵开启，所述冷油泵关闭，所述热油泵前阀和所述热油泵后阀均开启，所述冷油泵前阀和所述冷油泵后阀均关闭，热油储罐内的热油由热油泵驱动至蒸汽发生器内。
一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统的发电方法，
S1，在第一时段，冷油由冷油储罐驱动至储热换热器内，与聚变堆工作时产生的高温水换热形成热油，热油由储热换热器流动至热油储罐内，热油储罐内的部分热油流动至蒸汽发生器，蒸汽发生器内注入冷水与热油换热产生蒸汽，蒸汽传送至二回路以驱动汽轮机发电；热油储罐内的另外一部分热油储存在热油储罐储能；
S2，在第一时段，蒸汽发生器内与冷水换热形成的冷油流动至冷油储罐内储备；
S3，在第二时段，聚变堆间歇停止时，热油储罐内的另外一部分热油进入蒸汽发生器，与二回路的冷水换热产生蒸汽，蒸汽传送至二回路以驱动汽轮机发电；蒸汽发生器内与冷水换热形成的冷油流动至冷油储罐内储备；
S4，依次循环S1至S3。
作为优选方案，所述热油泵的入口处设有热油泵前阀，所述热油泵的出口处设有热油泵后阀；
所述冷油泵的入口处设有冷油泵前阀，所述冷油泵的出口处设有冷油泵后阀；
所述聚变堆工作时，所述冷油泵和所述热油泵开启，所述热油泵前阀和所述热油泵后阀均开启，冷油由冷油泵驱动至储热换热器内换热形成热油，热油由储热换热器流动至热油储罐内；
所述聚变堆间歇停止时，所述热油泵开启，所述冷油泵关闭，所述热油泵前阀和所述热油泵后阀均开启，所述冷油泵前阀和所述冷油泵后阀均关闭，热油储罐内的热油由热油泵驱动至蒸汽发生器内。
有益效果：本发明的用于聚变堆的油储能解耦发电系统包括一回路、储能回路以及二回路；一回路包括聚变堆和连接在聚变堆的热水出口的储热换热器，储热换热器的冷水出口与聚变堆的入水口连接；蒸汽发生器的蒸汽出口与二回路连接；储能回路包括依次与储热换热器的热油出口连接的热油储罐、蒸汽发生器和冷油储罐，冷油储罐的冷油出口与储热换热器的冷油进口连接。具体的，聚变堆工作时产生的高温水流动至储热换热器，冷油储罐的冷油进入储热换热器内与高温水换热形成热油，该热油进入储能回路的热油储罐，热油储罐的部分热油留存热油储罐内储能，热油储罐的另外一部分热油进入蒸汽发生器与二回路的冷水换热产生蒸汽，蒸汽传送至二回路以驱动汽轮机发电；聚变堆间歇停止时，热油储罐留存的部分热油进入蒸汽发生器与二回路的水换热，蒸汽发生器内换热之后形成的冷油进入冷油储罐；这样实现了在聚变堆间歇停止工作时也能够发电的目的。
本发明用于聚变堆的油储能解耦发电系统适用于水冷包层聚变堆间断输出特性的储能系统，形成一种与一回路解耦的，具有运行持续性、安全性、稳定性的储能发电技术方案，使得水冷包层聚变堆应用于发电领域成为现实。通过本发明技术方案，采用与聚变堆能量输出特性以及一回路参数相适应的储能系统，使得聚变堆具有持续稳定输出能力，确保二回路蒸汽参数的稳定性，进一步保障汽轮发电机持续稳定输出，提高发电品质；汽轮发电机可以采用常规机组设备，无需进行特殊设计或改造，在保障设备的安全性的同时，降低了设备采购成本以及运维费用，避免缩减设备寿命，也会造成后期设备运维管理费用；且储能系统能将平滑聚变堆周期性输出特性，使得发电机组发电负荷能够维持稳定，可以规避机组对电网造成的震荡冲击，增强电网接入稳定性。
附图说明
图1为本发明的用于聚变堆的油储能解耦发电系统的示意图；
图2为本发明的用于聚变堆的油储能解耦发电系统的储能与释能的切换示意图。
图中：1、聚变堆；2、储热换热器；3、蒸汽发生器；4、热油储罐；5、冷油储罐；6、热油泵；9、热油泵前阀；10、热油泵后阀；11、冷油泵；14、冷油泵前阀；15、冷油泵后阀；16、一回路水泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
为达到采用聚变堆的进行维持稳定发电的目的，需要考虑储能方案以及介质的选择：
(1)储能系统运行方案的设计
在聚变堆发电系统中的一回路与原二回路之间侧增设储能回路，即一回路介质与二回路介质之间不再直接换热，而完全通过储能回路进行间接的能量传递。在聚变堆工作期间时，聚变堆能量全部储存到储能系统中，其中一部分直接进入蒸汽发生器与二回路进行换热；在聚变堆间歇停止时，即将原来储存在储能系统中的另一部分能量输送出来，并通过蒸汽发生器转换到二回路侧。这种储能方式与一回路相对独立，是一种解耦运行，即简称为储能解耦系统。
(2)储能介质选择
由于本申请的储能系统是针对水冷包层设计的，即需要考虑储能系统的储能介质必须满足一回路介质(水)的参数变化范围，即储能介质需要与一回路进行换热，则必须适应一回路水温度变化范围。水冷包层聚变堆一回路水的工作温度范围为290～325℃，而合成导热油的最高工作范围可以达到300℃～400℃，即可以适应一回路水的温度变化范围。本方案采用合成导热油，相关方案描述中无特殊说明，均简称“油”。
由上，本发明的用于聚变堆的油储能解耦发电系统的实施例，如图1-2所示，本发明的用于聚变堆的油储能解耦发电系统包括一回路、储能回路以及二回路；一回路包括聚变堆1和连接在聚变堆1的热水出口的储热换热器2，储热换热器2的出气口与聚变堆1的入水口连接；储能回路包括依次与储热换热器2的热油出口连接的热油储罐4、蒸汽发生器3和冷油储罐5，冷油储罐5的冷油出口与储热换热器2的冷油进口连接；蒸汽发生器3的蒸汽出口与二回路连接。储热换热器2的热油出口通过一回路水泵16与聚变堆1的入水口连接。
具体的，聚变堆1工作时产生的高温水流动至储热换热器2，冷油储罐5的冷油进入储热换热器2内与高温水换热形成热油，该热油进入储能回路的热油储罐4，热油储罐4的部分热油留存热油储罐4内储能，热油储罐4的另外一部分热油进入蒸汽发生器3与二回路的冷水换热产生蒸汽，蒸汽传送至二回路以驱动汽轮机发电；聚变堆1间歇停止时，热油储罐4留存的部分热油进入蒸汽发生器3与二回路的水换热，蒸汽发生器3内换热之后形成的冷油进入冷油储罐5；这样实现了在聚变堆间歇停止工作时也能够发电的目的。
其中，热油泵6的入口处设有热油泵前阀9，热油泵6的出口处设有热油泵后阀10；冷油泵11的入口处设有冷油泵前阀14，冷油泵11的出口处设有冷油泵后阀15；冷油泵11和热油泵6分别用于输送热油和冷油。
在聚变堆工作时，冷油泵11和热油泵6开启，热油泵前阀9和热油泵后阀10均开启，冷油由冷油泵11驱动至储热换热器2内与聚变堆1产生的高温的水换热形成热油，热油由储热换热器2流动至热油储罐4内储存；在聚变堆1间歇停止时，热油泵6开启，冷油泵11关闭，热油泵前阀9和热油泵后阀10均开启，冷油泵前阀14和冷油泵后阀15均关闭，热油储罐4内的热油由热油泵6驱动至蒸汽发生器3内用于二回路换热使用，实现聚变堆1停止时仍然能够发电的目的。
本发明用于聚变堆的油储能解耦发电系统适用于水冷包层聚变堆间断输出特性的储能系统，形成一种与一回路解耦的，具有运行持续性、安全性、稳定性的储能发电技术方案，使得水冷包层聚变堆应用于发电领域成为现实。通过本发明技术方案，采用与聚变堆能量输出特性以及一回路参数相适应的储能系统，使得聚变堆具有持续稳定输出能力，确保二回路蒸汽参数的稳定性，进一步保障汽轮发电机持续稳定输出，提高发电品质；汽轮发电机可以采用常规机组设备，无需进行特殊设计或改造，在保障设备的安全性的同时，降低了设备采购成本以及运维费用，避免缩减设备寿命，也会造成后期设备运维管理费用；且储能系统能将平滑聚变堆周期性输出特性，使得发电机组发电负荷能够维持稳定，可以规避机组对电网造成的震荡冲击，增强电网接入稳定性。
一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统的发电方法，包括：
S1，在第一时段，冷油由冷油储罐5驱动至储热换热器2内，与聚变堆1工作时产生的高温水换热形成热油，热油由储热换热器2流动至热油储罐4内，热油储罐4内的部分热油流动至蒸汽发生器3，蒸汽发生器3内注入冷水与热油换热产生蒸汽，蒸汽传送至二回路以驱动汽轮机发电；热油储罐4内的另外一部分热油储存在热油储罐4储能；
S2，在第一时段，蒸汽发生器3内与冷水换热形成的冷油流动至冷油储罐2内储备；
S3，在第二时段，聚变堆间歇停止时，热油储罐2内的另外一部分热油进入蒸汽发生器3，与二回路的冷水换热产生蒸汽，蒸汽传送至二回路以驱动汽轮机发电。蒸汽发生器3内与冷水换热形成的冷油流动至冷油储罐2内储备；
S4，依次循环S1至S3。
其中，热油泵6的入口处设有热油泵前阀9，热油泵6的出口处设有热油泵后阀10；冷油泵11的入口处设有冷油泵前阀14，冷油泵11的出口处设有冷油泵后阀15；冷油泵11和热油泵6分别用于输送热油和冷油。
在聚变堆工作时，冷油泵11和热油泵6开启，热油泵前阀9和热油泵后阀10均开启，冷油由冷油泵11驱动至储热换热器2内与聚变堆1产生的高温的水换热形成热油，热油由储热换热器2流动至热油储罐4内储存；在聚变堆1间歇停止时，热油泵6开启，冷油泵11关闭，热油泵前阀9和热油泵后阀10均开启，冷油泵前阀14和冷油泵后阀15均关闭，储热换热器2内的热油由热油泵6驱动至蒸汽发生器3内用于二回路换热使用，实现聚变堆1停止时仍然能够发电的目的。
本申请采用导热油进行储能的储热温度范围能达到-60～400℃，储热输送泵采用卧式泵，热储油罐和冷油储罐为防止具有一定温度的导热油和空气接触发生氧化，设有氮封系统；并设有净化系统，以将导热油运行中产生的高沸物和低沸物脱除并将导热油回收。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于聚变堆的油储能解耦发电系统，其特征在于，包括一回路、储能回路以及二回路；
所述一回路包括聚变堆和连接在聚变堆的高温水出口的储热换热器，所述储热换热器的冷水出口与所述聚变堆的入水口连接；
所述储能回路包括依次与所述储热换热器的热油出口连接的热油储罐、蒸汽发生器和冷油储罐，所述冷油储罐的冷油出口与储热换热器的冷油进口连接；
所述蒸汽发生器的蒸汽出口与所述二回路连接；
所述聚变堆工作时产生的高温水流动至储热换热器，所述冷油储罐的冷油进入储热换热器内与高温水换热形成热油，该热油进入储能回路的热油储罐，所述热油储罐的部分热油留存热油储罐内储能，所述热油储罐的另外一部分热油进入蒸汽发生器与二回路的冷水换热；
所述聚变堆间歇停止时，所述热油储罐留存的部分热油进入蒸汽发生器与二回路的水换热，所述蒸汽发生器内换热之后形成的冷油进入冷油储罐；
所述储热换热器的冷水出口通过一回路水泵与聚变堆的入水口连接。
2.根据权利要求1所述的用于聚变堆的油储能解耦发电系统，其特征在于，
所述热油泵的入口处设有热油泵前阀，所述热油泵的出口处设有热油泵后阀；
所述冷油泵的入口处设有冷油泵前阀，所述冷油泵的出口处设有冷油泵后阀；
所述聚变堆工作时，所述冷油泵和所述热油泵开启，所述热油泵前阀和所述热油泵后阀均开启，冷油由冷油泵驱动至储热换热器内换热形成热油，热油由储热换热器流动至热油储罐内；
所述聚变堆间歇停止时，所述热油泵开启，所述冷油泵关闭，所述热油泵前阀和所述热油泵后阀均开启，所述冷油泵前阀和所述冷油泵后阀均关闭，热油储罐内的热油由热油泵驱动至蒸汽发生器内。
3.一种权利要求1-2任一项所述的用于聚变堆的油储能解耦发电系统的发电方法，其特征在于，
S1，在第一时段，冷油由冷油储罐驱动至储热换热器内，与聚变堆工作时产生的高温水换热形成热油，热油由储热换热器流动至热油储罐内，热油储罐内的部分热油流动至蒸汽发生器，蒸汽发生器内注入冷水与热油换热产生蒸汽，蒸汽传送至二回路以驱动汽轮机发电；热油储罐内的另外一部分热油储存在热油储罐储能；
S2，在第一时段，蒸汽发生器内与冷水换热形成的冷油流动至冷油储罐内储备；
S3，在第二时段，聚变堆间歇停止时，热油储罐内的另外一部分热油进入蒸汽发生器，与二回路的冷水换热产生蒸汽，蒸汽传送至二回路以驱动汽轮机发电；蒸汽发生器内与冷水换热形成的冷油流动至冷油储罐内储备；
S4，依次循环S1至S3。
4.根据权利要求3所述的用于聚变堆的油储能解耦发电系统的发电方法，其特征在于，所述热油泵的入口处设有热油泵前阀，所述热油泵的出口处设有热油泵后阀；
所述冷油泵的入口处设有冷油泵前阀，所述冷油泵的出口处设有冷油泵后阀；
所述聚变堆工作时，所述冷油泵和所述热油泵开启，所述热油泵前阀和所述热油泵后阀均开启，冷油由冷油泵驱动至储热换热器内换热形成热油，热油由储热换热器流动至热油储罐内；
所述聚变堆间歇停止时，所述热油泵开启，所述冷油泵关闭，所述热油泵前阀和所述热油泵后阀均开启，所述冷油泵前阀和所述冷油泵后阀均关闭，热油储罐内的热油由热油泵驱动至蒸汽发生器内。
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