[发明专利]一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统及方法

说明书

本发明公开了一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统及方法，该字体包括主压缩机、主压缩机拖动透平、主压缩机辅助电动机、再压缩机、再压缩机拖动透平、再压缩机辅助电动机、发电透平、发电机、预冷器、低温回热器、高温回热器、钠‑超临界二氧化碳换热器、钠‑钠换热器和反应堆。本发明通过综合考虑钠冷快堆二回路的液态金属钠的换热窗口和三回路超临界二氧化碳布雷顿循环吸热窗口的特点，将钠‑超临界二氧化碳换热器分为高温段和低温段，并在动力循环中设置二级分流，通过分流二氧化碳吸收低温段热量，实现了二回路和三回路换热温度窗口的良好匹配，解决了钠冷快堆超临界二氧化碳发电系统能量梯级高效利用的难题。

技术领域

本发明涉及高效核能发电技术领域，特别涉及一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统及方法。

背景技术

随着经济飞速发展，和电力减碳的需求，第四代核电技术受到了越来越多的关注。通常认为，第四代反应堆的堆芯温度可达500℃～900℃，较高的热源温度对动力循环和工质也提出了更高的新的要求。钠冷快堆(SFR)是六种四代堆中发展时间最长，技术最成熟的堆型，也是目前唯一经过现实工程验证的四代堆型。

超临界二氧化碳循环发电机组具有设备紧凑、热功转换效率高、系统简单和热源适用性广等优势，近年来成为新型动力循环发电的研究热点，被普遍认为在燃煤、光热、核能等发电领域具有广阔的应用前景。与传统的蒸汽朗肯循环相比，其在高参数条件下，效率优势明显，620℃等级的超临界二氧化碳发电机组即可达到700℃等级的超超临界水工质机组的效率。另外，超临界二氧化碳循环为真实气体闭式布雷顿循环，运行参数始终在二氧化碳临界点以上，由于工质流程短，全流程无相变，具备良好的深度调峰和快速调峰潜力。

因此，超临界二氧化碳布雷顿循环被广泛认为是第四代先进核电系统的理想发电循环。另外，采用超临界二氧化碳代替水工质，还可以有效的避免钠水反应对核反应堆安全的影响，大幅提升钠冷快堆发电系统的安全性。

钠冷快堆超临界二氧化碳发电系统中，二回路液态金属钠循环和三回路超临界二氧化碳动力循环是通过钠-超临界二氧化碳换热器进行换热的，两者换热温度窗口的良好匹配，是实现整个发电系统高效的关键所在。以目前我国某型钠冷快堆为例，堆芯入口钠温360℃，堆芯出口钠温530℃。其二回路入口钠温约310℃，二回路出口钠温495℃。由此可见，若将其和超临界二氧化碳动力循环进行匹配，钠-超临界二氧化碳换热器热侧温升约为185℃，而对于目前公认效率较高的分流再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环而言，其无极全流量近等温回热的特点决定了整个动力循环的平均吸热温度较高，吸热温度窗口较窄，通常约为100℃温升。这就使得三回路超临界二氧化碳动力循环的吸热温度与二回路液态金属钠的换热窗口匹配度较差，二回路液态金属钠得不到充分冷却，较低温度区间的热量无法得以充分利用，严重影响系统整体发电效率。

但是从公开的文献资料可知，虽然目前已有部分关于钠冷快堆超临界二氧化碳发电系统的研究，但是如何解决三回路超临界二氧化碳动力循环的吸热温度与二回路液态金属钠的换热窗口匹配度较差的问题，鲜有见到。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种钠冷快堆超临界二氧化碳两级分流高效发电系统及方法，通过综合考虑钠冷快堆二回路的液态金属钠的换热窗口和三回路超临界二氧化碳布雷顿循环吸热窗口的特点，将钠-超临界二氧化碳换热器分为高温段和低温段，并在二氧化碳布雷顿循环动力系统中设置二级分流，通过分流二氧化碳吸收低温段热量，实现了二回路和三回路换热温度窗口的良好匹配，解决了钠冷快堆超临界二氧化碳发电系统能量梯级高效利用的难题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：