一种核电站运行中的综合能源利用系统及其应用

技术领域

本发明涉及一种核电站运行中的综合能源利用系统及其应用，属于核反应放热利用技术领域。

背景技术

在当今社会，对清洁、高效、可再生能源的需求日益增加。核能作为一种高效、可靠的能源形式，核能的利用可以有效减少对化石燃料的依赖，减少温室气体的排放，从而有助于应对气候变化和环境污染等问题。然而，传统核能发电系统在响应速度、能源利用效率和碳排放等方面仍存在一些挑战。传统核能发电系统在面临瞬时能源需求波动时，响应速度较慢，难以实现灵活性运行。在核反应堆启动和停机等过程中，热量的管理和调控也成为了一项技术难题。

此外，传统的核能发电方式通常采用蒸汽轮机发电，其效率较低，无法充分利用核能的高温特性。因此，如何提高核能的利用效率，实现能源的高效转化和储存，成为了当前核能研究的热点之一。

同时，随着能源行业的发展，对于能源的灵活性和多元化利用也提出了新的要求。传统的核能发电方式缺乏灵活性，难以适应能源市场的变化和需求。因此，如何提高核电厂运行的灵活性，增强其适应能源市场需求的能力，也成为了当前亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种核电站运行中的综合能源利用系统及其应用，通过储热系统、sCO

在核反应堆停机时，熔融盐储热装置仍可以继续运行，从而将核反应堆停机时所产生的剩余反应热进行储存，保证核反应堆的安全温度的同时也降低了能源的浪费；当核反应堆缓慢启动时，储热装置中的热量能够迅速释放，为sCO

在核反应堆正常运行时，通过储热系统将核反应堆释放的热量进行储存利用，储热系统放出的热量不仅用于sCO

这种技术方案不仅更加有效地利用了核反应堆放出的热能，还实现了能源的高效转化和储存，为清洁能源的利用提供了新的途径，极大程度减少了CO

本发明的技术方案如下：

一种核电站运行中的综合能源利用系统，包括储热系统、sCO

核反应放热装置连接有储热系统，储热系统分别连接有sCO

根据本发明优选的，核反应放热装置管道连接有冷却剂，冷却剂出口经过稳压器连接有储热系统，通过储热系统的冷却剂经过循环泵返回至冷却剂进口。

根据本发明优选的，储热系统包括换热器A、换热器B、高温熔融盐罐和低温熔融盐罐， 换热器A热侧入口连接有稳压器，热侧出口连接有循环泵，换热器A冷侧出口连接有高温熔融盐罐，高温熔融盐罐热侧出口连接有低温熔融盐罐热侧入口，低温熔融盐罐热侧出口连接有换热器A冷侧入口，形成闭合回路，换热器B热侧出口连接有低温熔融盐罐冷侧入口，低温熔融盐罐冷侧出口连接有高温熔融盐罐冷侧入口，高温熔融盐罐冷侧出口连接有换热器B热侧入口，形成闭合回路。

根据本发明优选的，sCO

根据本发明进一步优选的，冷却循环管路包括动力泵和冷水塔，预冷器水路出口侧连接有冷水塔流道入口，冷水塔流道出口通过动力泵连接有预冷器水路入口侧。

根据本发明进一步优选的，CO

根据本发明优选的，制甲醇+储能装置包括制醇模块和储能模块，制醇模块包括储氢罐、储二氧化碳罐和反应装置，储能装置为储甲醇罐，储氢罐和储二氧化碳罐分别连接有反应装置，反应装置连接有储甲醇罐。

根据本发明优选的，燃气-蒸汽联合循环系统包括联合压缩机、燃烧室、燃气透平、发电机A、余热锅炉、加热器、汽轮机、发电机B、蒸汽泵和凝汽器，联合压缩机与燃气透平和发电机A同轴连接，联合压缩机出口连接有燃烧室入口，同时燃烧室燃料入口连接有制甲醇+储能装置中的甲醇供给管道，燃烧室出口连接有燃气透平入口，燃气透平出口连接有余热锅炉烟气侧入口，余热锅炉烟气侧出口连接有碳捕集系统，余热锅炉蒸汽出口侧连接有汽轮机入口，汽轮机与发电机B同轴连接，汽轮机出口连接有凝汽器入口，凝汽器出口通过蒸汽泵连接有加热器冷侧入口，加热器热侧入口连接有汽轮机抽气口，加热器冷侧出口连接有余热锅炉蒸汽侧入口。

根据本发明优选的，碳捕集系统包括冷却器A、压缩机A、冷却器B、水洗塔A、压缩机B、冷却器C、水洗塔B、压缩机C、冷却器D、水洗塔C、多股流换热器A、精馏塔A、多股流换热器B、精馏塔B、压缩机D、冷却器E、压缩机E、冷却器F和碳捕泵，其中，

冷却器A入口连接有燃气-蒸汽联合循环系统中的余热锅炉烟气侧出口，冷却器A出口连接有压缩机A入口，压缩机A出口依次连接有冷却器B、水洗塔A、压缩机B、冷却器C、水洗塔B、压缩机C、冷却器D、水洗塔C和脱水装置，脱水装置出口连接有多股流换热器A热侧烟气入口，多股流换热器A热侧烟气出口连接有精馏塔A烟气入口，精馏塔A烟气出口连接有多股流换热器B热侧烟气入口，多股流换热器B热侧烟气出口连接有精馏塔B烟气入口，精馏塔B烟气出口连接有多股流换热器B冷侧烟气入口，多股流换热器B冷侧烟气出口连接有多股流换热器A冷侧烟气入口，多股流换热器A冷侧出口与大气连通，精馏塔A底部出口连接有多股流换热器A液体入口a，多股流换热器A液体出口a连接有压缩机E入口，压缩机D出口连接有冷却器E，精馏塔B底部出口连接有多股流换热器B液体入口，多股流换热器B液体出口连接有多股流换热器A液体入口b，多股流换热器A液体出口b连接有压缩机D入口，冷却器E出口连接有压缩机E入口，压缩机E出口依次连接有冷却器F、碳捕泵和储二氧化碳罐，碳捕集系统的储二氧化碳罐供给sCO

上述核电站运行中的综合能源利用系统的应用，步骤如下：

（1）核反应放热装置中放出的热能传递到冷却剂（如水、氦气、铅铋合金等）中，冷却液从核反应放热装置出口进入稳压器，对冷却液压力和流量进行调控，以有效控制核反应放热装置的输出功率和温度，之后冷却液从稳压器流入换热器A中与熔融盐介质进行间接换热，熔融盐具有较高的温度和热容量，可以有效地吸收冷却液中的热量，冷却液在换热器A中换热后，温度降低，再送入核反应放热装置中继续吸收热量；

（2）储热系统中，从换热器A冷端出口流出的高温工质依次通过高温熔融盐罐和低温熔融盐罐，在这个过程中，高温工质放出大量的热量，逐渐转变为低温工质，最后再进入换热器A，间接吸收核反应放热装置中冷却液带出的热量；同时，从换热器B热端出口流出的低温工质依次通过低温熔融盐罐和高温熔融盐罐，在这个过程中，低温工质吸收并储存了大量的热量，逐渐转变为高温工质，最后再进入换热器B，将热量间接传递给sCO

（3）sCO

（4）制甲醇+储能装置中，以H

（5）燃气-蒸汽联合循环系统中，燃气轮机由联合压缩机，燃烧室和燃气透平三部分组成，燃气轮机使用甲醇为燃料，与压缩机压缩的空气在燃烧室中混合燃烧，释放出的热能驱动燃气透平旋转，进而带动发电机A发电，产生的燃气废气被引入到余热锅炉中，加热锅炉内的水，产生高温蒸汽，经过换热冷却后的燃气废气即烟气，进入碳捕集系统，加热后的蒸汽进入汽轮机，汽轮机通过高温蒸汽驱动内部叶轮旋转，进而带动发电机B发电，在此过程中，一部分蒸汽在汽轮机中被抽出到加热器，废蒸汽从汽轮机中排出后，在凝汽器中冷却并凝结成水，被收集并进入蒸汽泵内进行增压，然后进入加热器中，在加热器中凝结水被汽轮机中间抽气加热后再次进入余热锅炉中用于锅炉给水，完成能量传递的循环；

（6）碳捕集系统中，燃气-蒸汽联合循环系统中排放的烟气经过冷却器A冷却后进入压缩机A，然后进入冷却器B，通过级间冷却对烟气进行充分冷却，并经水洗塔A洗去水分，之后与上述过程类似，通过压缩机B压缩后进入冷却器C重复冷却，并经水洗塔B洗去水分，最后通过压缩机C压缩后进入冷却器D重复冷却，并经水洗塔C洗去水分，经过上述三级间冷压缩和水洗塔洗去水分，保持每级压比为3.2，烟气最终将被压缩至3 Mpa，但由于此时烟气中水分含量仍然相对较高，因此，烟气从水洗塔C出来后被引入脱水装置以进一步去除水分，然后依次进入多股流换热器A、精馏塔A和精馏塔B，通过多股流换热器A中自产冷量对烟气进行预冷，之后进入到精馏塔A中膨胀降温，将压力降低至2 MPa，使烟气混合物以液体形式从下方排出，另一部分含有少量CO

根据本发明优选的，步骤（3）中，冷却循环管路中冷却水经预冷器换热后吸收冷却高温二氧化碳工质释放的热量，变成高温冷却水，之后经过管道送往冷水塔中进行冷却降温，冷水塔内的冷却方式为自然通风冷却，利用冷却塔内外的空气质量密度差形成的空气对流作用来实现通风，经冷却塔过后的冷却水再次循环进入预冷器进行冷却。

本发明的有益效果在于：

1.本发明可在核反应堆停机时通过熔融盐储热将核反应堆剩余核反应性释放的大量热量收集储存起来，避免了能源浪费和环境污染，保证核反应堆的安全运行。这样，核反应堆中产生的热能就通过换热转化为了电能，实现了能源的转换和利用。这个过程中，换热器和高低温熔融盐罐是核反应堆换热的关键设备。

2.本发明通过设计高效的sCO

3.本发明各模块之间形成紧密联系、相互依赖，通过优化各模块之间的配合和协作，实现了核反应堆热量的储存与利用，提高了能源利用效率，并实现了CO

4.本发明各模块之间形成紧密联系、相互依赖，通过优化各模块之间的配合和协作，实现了核反应堆热量的储存与利用，提高了能源利用效率，并实现了CO

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种核电站运行中的综合能源利用系统，包括储热系统、sCO

核反应放热装置连接有储热系统，储热系统分别连接有sCO

核反应放热装置管道连接有冷却剂，冷却剂出口经过稳压器连接有储热系统，通过储热系统的冷却剂经过循环泵返回至冷却剂进口。

储热系统包括换热器A、换热器B、高温熔融盐罐和低温熔融盐罐， 换热器A热侧入口连接有稳压器，热侧出口连接有循环泵，换热器A冷侧出口连接有高温熔融盐罐，高温熔融盐罐热侧出口连接有低温熔融盐罐热侧入口，低温熔融盐罐热侧出口连接有换热器A冷侧入口，形成闭合回路，换热器B热侧出口连接有低温熔融盐罐冷侧入口，低温熔融盐罐冷侧出口连接有高温熔融盐罐冷侧入口，高温熔融盐罐冷侧出口连接有换热器B热侧入口，形成闭合回路。

sCO

冷却循环管路包括动力泵和冷水塔，预冷器水路出口侧连接有冷水塔流道入口，冷水塔流道出口通过动力泵连接有预冷器水路入口侧。

CO

sCO

制甲醇+储能装置包括制醇模块和储能模块，制醇模块包括储氢罐、储二氧化碳罐和反应装置，储能装置为储甲醇罐，储氢罐和储二氧化碳罐分别连接有反应装置，反应装置连接有储甲醇罐。

燃气-蒸汽联合循环系统包括联合压缩机、燃烧室、燃气透平、发电机A、余热锅炉、加热器、汽轮机、发电机B、蒸汽泵和凝汽器，联合压缩机与燃气透平和发电机A同轴连接，联合压缩机出口连接有燃烧室入口，同时燃烧室燃料入口连接有制甲醇+储能装置中的甲醇供给管道，燃烧室出口连接有燃气透平入口，燃气透平出口连接有余热锅炉烟气侧入口，余热锅炉烟气侧出口连接有碳捕集系统，余热锅炉蒸汽出口侧连接有汽轮机入口，汽轮机与发电机B同轴连接，汽轮机出口连接有凝汽器入口，凝汽器出口通过蒸汽泵连接有加热器冷侧入口，加热器热侧入口连接有汽轮机抽气口，加热器冷侧出口连接有余热锅炉蒸汽侧入口。

碳捕集系统包括冷却器A、压缩机A、冷却器B、水洗塔A、压缩机B、冷却器C、水洗塔B、压缩机C、冷却器D、水洗塔C、多股流换热器A、精馏塔A、多股流换热器B、精馏塔B、压缩机D、冷却器E、压缩机E、冷却器F和碳捕泵，其中，

冷却器A入口连接有燃气-蒸汽联合循环系统中的余热锅炉烟气侧出口，冷却器A出口连接有压缩机A入口，压缩机A出口依次连接有冷却器B、水洗塔A、压缩机B、冷却器C、水洗塔B、压缩机C、冷却器D、水洗塔C和脱水装置，脱水装置出口连接有多股流换热器A热侧烟气入口，多股流换热器A热侧烟气出口连接有精馏塔A烟气入口，精馏塔A烟气出口连接有多股流换热器B热侧烟气入口，多股流换热器B热侧烟气出口连接有精馏塔B烟气入口，精馏塔B烟气出口连接有多股流换热器B冷侧烟气入口，多股流换热器B冷侧烟气出口连接有多股流换热器A冷侧烟气入口，多股流换热器A冷侧出口与大气连通，精馏塔A底部出口连接有多股流换热器A液体入口a，多股流换热器A液体出口a连接有压缩机E入口，压缩机D出口连接有冷却器E，精馏塔B底部出口连接有多股流换热器B液体入口，多股流换热器B液体出口连接有多股流换热器A液体入口b，多股流换热器A液体出口b连接有压缩机D入口，冷却器E出口连接有压缩机E入口，压缩机E出口依次连接有冷却器F、碳捕泵和储二氧化碳罐，碳捕集系统的储二氧化碳罐供给sCO

上述核电站运行中的综合能源利用系统的应用，步骤如下：

（1）核反应放热装置中放出的热能传递到冷却剂（如水、氦气、铅铋合金等）中，冷却液从核反应放热装置出口进入稳压器，对冷却液压力和流量进行调控，以有效控制核反应放热装置的输出功率和温度，之后冷却液从稳压器流入换热器A中与熔融盐介质进行间接换热，熔融盐具有较高的温度和热容量，可以有效地吸收冷却液中的热量，冷却液在换热器A中换热后，温度降低，再送入核反应放热装置中继续吸收热量；

（2）储热系统中，从换热器A冷端出口流出的高温工质依次通过高温熔融盐罐和低温熔融盐罐，在这个过程中，高温工质放出大量的热量，逐渐转变为低温工质，最后再进入换热器A，间接吸收核反应放热装置中冷却液带出的热量；同时，从换热器B热端出口流出的低温工质依次通过低温熔融盐罐和高温熔融盐罐，在这个过程中，低温工质吸收并储存了大量的热量，逐渐转变为高温工质，最后再进入换热器B，将热量间接传递给sCO

（3）sCO

冷却循环管路中冷却水经预冷器换热后吸收冷却高温二氧化碳工质释放的热量，变成高温冷却水，之后经过管道送往冷水塔中进行冷却降温，冷水塔内的冷却方式为自然通风冷却，利用冷却塔内外的空气质量密度差形成的空气对流作用来实现通风，经冷却塔过后的冷却水再次循环进入预冷器进行冷却。

（4）制甲醇+储能装置中，以H

（5）燃气-蒸汽联合循环系统中，燃气轮机由联合压缩机，燃烧室和燃气透平三部分组成，燃气轮机使用甲醇为燃料，与压缩机压缩的空气在燃烧室中混合燃烧，释放出的热能驱动燃气透平旋转，进而带动发电机A发电，产生的燃气废气被引入到余热锅炉中，加热锅炉内的水，产生高温蒸汽，经过换热冷却后的燃气废气即烟气，进入碳捕集系统，加热后的蒸汽进入汽轮机，汽轮机通过高温蒸汽驱动内部叶轮旋转，进而带动发电机B发电，在此过程中，一部分蒸汽在汽轮机中被抽出到加热器，废蒸汽从汽轮机中排出后，在凝汽器中冷却并凝结成水，被收集并进入蒸汽泵内进行增压，然后进入加热器中，在加热器中凝结水被汽轮机中间抽气加热后再次进入余热锅炉中用于锅炉给水，完成能量传递的循环；

（6）碳捕集系统中，燃气-蒸汽联合循环系统中排放的烟气经过冷却器A冷却后进入压缩机A，然后进入冷却器B，通过级间冷却对烟气进行充分冷却，并经水洗塔A洗去水分，之后与上述过程类似，通过压缩机B压缩后进入冷却器C重复冷却，并经水洗塔B洗去水分，最后通过压缩机C压缩后进入冷却器D重复冷却，并经水洗塔C洗去水分，经过上述三级间冷压缩和水洗塔洗去水分，保持每级压比为3.2，烟气最终将被压缩至3 Mpa，但由于此时烟气中水分含量仍然相对较高，因此，烟气从水洗塔C出来后被引入脱水装置以进一步去除水分，然后依次进入多股流换热器A、精馏塔A和精馏塔B，通过多股流换热器A中自产冷量对烟气进行预冷，之后进入到精馏塔A中膨胀降温，将压力降低至2 MPa，使烟气混合物以液体形式从下方排出，另一部分含有少量CO

核反应放热装置主要包括核反应堆和控制棒，核反应放热装置停机时，核反应堆控制棒完全插入核反应堆中心时反应堆停止运行。控制棒完全插入核反应中心后，会吸收大部分中子，从而停止链式反应的进行，但此时由于核反应堆中剩余反应性的存在会导致一定程度的中子俘获和裂变，从而产生热量。此时仍需保持内部冷却液继续运行，将核反应堆因剩余反应性放出的热量带出核反应堆，然后进入稳压器对冷却液压力和流量进行调控，可以有效地控制反应堆的输出温度，之后冷却液将在换热器A中与熔融盐介质进行换热，由于熔融盐具有很高的温度和热容量，可以有效地吸收冷却液中的热量。冷却液在换热器A中换热后，温度降低，最后再通过泵将冷却液送入核反应装置中继续吸收热量，不过需与正常运行时不同，此时换热器A功率需相应降低。同时，储热系统中换热器B入口闸阀关闭，储热系统仅用于将核反应放热装置因剩余反应性放出的热量进行吸收储存，以此往复循环，完成核反应堆停机时能量的传递。

核反应放热装置启动时，核反应堆控制棒缓慢从核反应堆中心抽出，内部链式反应开始进行，但这个过程中核反应堆功率提升缓慢，无法为动力系统提供快速启动需要的热量，因此此时储热系统中换热器A出口闸阀部分打开与核反应放热装置进行换热，从换热器A冷端出口流经的高温工质依次通过高温熔融盐罐和低温熔融盐罐，在这个过程中，高温工质放出大量的热量，逐渐转变为低温工质，最后再进入换热器间接吸收核反应放热装置中冷却液带出的热量，完成能量的传递；换热器B入口闸阀全部打开，储热系统全功率向sCO

如图2所示，本发明各系统模块之间紧密联系和相互依赖，构建了一个高效、稳定的能源转换与利用系统。首先，反应堆放热模块作为整个系统的核心，它产生的热量输送到储热模块进行储存，这一设计不仅提高了能源利用效率，还为sCO

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。