一种采用磁流体发电装置的闭式高温气冷堆系统与方法

技术领域

本发明涉及闭式布雷顿循环高温气冷堆综合利用技术领域，具体涉及一种采用磁流体发电装置的闭式高温气冷堆系统与方法。

背景技术

核能作为一种清洁高效的低碳能源不会产生二氧化碳等温室气体，也不会产生烟尘污染空气，大力发展核能对于实现工矿企业的能源转型和碳达峰碳中和目标的实现具有重大意义。

高温气冷堆作为第四代核能系统采用氦气作为循环工质具有更好的安全性和经济性。目前核反应堆出口的高温氦气通过氦气透平做功产生电能，实现热能的单次转换，未能充分合理利用清洁无污染的核能，利用率低，造成浪费。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种采用磁流体发电装置的闭式高温气冷堆系统与方法，将磁流体发电装置与闭式循环的高温气冷堆进行系统耦合，采用氦气、氙气混合气体作为工质，实现了混合气工质在盘式磁流体发电装置和氦气透平发电机组的两次做功，梯级利用了高温气冷堆产生的热量。在系统运行过程中可以分别或者综合利用调节核反应堆输出功率、混合气工质电导率、盘式磁流体发电机磁场强度、回路系统压力等方法来调节系统输出功率，满足不同运行要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种采用磁流体发电装置的闭式高温气冷堆系统，包括磁流体发电装置和高温氦气透平发电系统；

所述磁流体发电装置包括核反应堆6，所述核反应堆6产生的高温高压氦气、氙气混合气体工质进入预电离装置7，所述预电离装置7输出的导电流体进入盘式磁流体发电机8中心进气道，在盘式磁流体发电机8中产生的电能通过电源控制器9整流、逆变为工频交流电，一部分为预电离装置7和盘式磁流体发电机8的超导磁体供电，另一部分并入电网；

所述高温氦气透平发电系统包括盘式磁流体发电机8，盘式磁流体发电机8排出的混合气工质进入氦气透平10，所述氦气透平10上设置发电机11、低压压气机2和高压压气机4，所述氦气透平10带动发电机11发电的同时也带动同轴的低压压气机2和高压压气机4对混合气工质进行压缩，所述氦气透平10的排气经过回热器5低压侧并与回热器5高压侧的氦气进行换热，然后进入预冷器1，在预冷器1中被外部循环水冷却后的低温氦气进入低压压气机2，低压压气机2对混合气工质做功使其升温升压，升温升压后的混合气工质进入中间冷却器3，在冷却器3中被外部循环水冷却，随后进入高压压气机4被压缩成高压混合气，高压混合气经过回热器5高压侧被加热后进入核反应堆6。

所述低压压气机2、高压压气机4、氦气透平10和发电机11为同轴布置。

所述回热器5低压侧入口连接氦气透平10出口的低压排气，回热器5低压侧出口连接预冷器1，回热器5高压侧入口连接高压压气机4出口的高压排气，回热器5高压侧出口与核反应堆6入口相连。

在预冷器1与低压压气机2之间连接的管线和回热器5与高压压气机4之间连接的管线之间设置有储气罐13；

所述储气罐13通过储气罐低压压气机侧阀门12和预冷器1与低压压气机2之间的管线相连，储气罐13通过储气罐高压压气机侧阀门14和回热器5与高压压气机4之间的管线相连。

所述预冷器1、中间冷却器3采用厂区循环冷却水进行冷却。

所述高压压气机4出口和氦气透平10排气端之间连接旁路阀15。

所述盘式磁流体发电机8采用超导磁体。

所述预电离装置7通过控制射频电磁场的功率和频率实现对混合气工质电导率的调节。

一种采用磁流体发电装置的闭式高温气冷堆系统的运行方法，包括以下步骤：

在机组启动阶段，关闭旁路阀15，电源控制器9到预电离装置7和盘式磁流体发电机8的开关断开，发电机11通过静态变频装置切换为电动机方式运行，与发电机11同轴布置的氦气透平10、高压压气机4和低压压气机2形成的氦气透平发电机组在静态变频装置带动下升速，升速过程中通过控制核反应堆6的控制棒逐步提升反应堆输出功率，当氦气透平发电机组达到自持转速后，静态变频装置退出运行，发电机11切换为发电机方式运行；

当氦气透平发电机组达到额定转速时，检查核反应堆6输出功率和出口氦气、氙气混合气体工质的温度、压力是否在正常范围内，检查氦气透平发电机组轴系、轴瓦、密封系统运行状态是否正常，如无异常，将发电机11并网；

氦气透平发电机组并网后，逐步提高核反应堆6的输出功率，分别投入电源控制器9到预电离装置7和盘式磁流体发电机8的开关至合闸状态，检查电离装置7出口的混合气工质电导率和盘式磁流体发电机8的输出电压，通过调整混合气工质电导率和盘式磁流体发电机8磁场强度来控制输出功率。

所述氦气透平发电机组正常运行阶段，通过如下3种方式来调节系统输出功率：

1)反应性调节：通过控制核反应堆6的控制棒调节堆芯的反应性，直接结果是反应堆出口温度的上升或者下降，反应性调节在高负荷工况下可以保持较高的效率，但在低负荷工况下效率下降较大；

2)系统压力调节：通过调整储气罐低压压气机侧阀门12和储气罐高压压气机侧阀门14的开度，回路中的混合气工质流出或者流入储气罐，回路中的压力上升或者下降，来实现做功能力的增大或者减小，系统压力调节是运行功率调节的主要手段，通过与核反应堆6输出功率的同步调节，保证在部分负荷下系统仍然具有较高的循环效率；

3)旁路阀15调节：旁路阀15调节通常用于应急需要，旁路阀15打开，氦气透平10快速提高，做功能力急剧下降，同时压气机流量增大，耗功增加，氦气透平发电机组转速会快速下降。

本发明的有益效果：

本发明通过将磁流体发电装置与闭式循环的高温气冷堆进行系统耦合，采用氦气、氙气混合气体作为工质，实现了混合气工质在盘式磁流体发电装置和氦气透平发电机组的两次做功，梯级利用了高温气冷堆产生的热量。

混合气体在反应堆内充当冷却剂。在混合工质流出反应堆时已实现部分电离，由于氦气电离电位较高，反应堆出口处的工质无法获得足够电导率，通过设置预电离装置以便获得足够的工质电导率。当反应堆出口的高温高压高速氦气、氙气混合气体通过预电离装置获得足够电导率后进入盘式磁流体发电机，导电流体在盘式磁流体发电机内通过与流动方向垂直的磁场，切割磁力线产生电动势，从而产生电能。离开盘式磁流体发电机的工质仍然具有较高的能量，进入氦气透平做功，氦气透平带动发电机发电同时也带动同轴的低压压气机和高压压气机对工质进行压缩。氦气透平的排气仍然具有较高的温度，经过回热器低压侧后将热量传输给高压侧氦气，然后进入预冷器降至低温。低温氦气进入带有中间冷却器的压气机组，然后被压缩成高压氦气。高压氦气经过回热器高压侧后被加热至接近氦气透平的排气温度，然后再进入反应堆堆芯重复被加热过程。

在系统运行过程中可以分别或者综合利用调节核反应堆输出功率、混合气工质电导率、盘式磁流体发电机磁场强度、回路系统压力等方法来调节系统输出功率，满足不同运行要求。

本发明提出的系统运行方式，可实现高温气冷堆能量的梯级利用，在电力和热力生产过程中实现零碳排放，有利于提升电力企业在未来能源市场竞争中占据有利位置，提高发电企业竞争能力。

本发明适用于高温气冷堆发电机组，具备推广的普适性条件。

附图说明

图1为本发明的热力系统示意图。

其中1-预冷器，2-低压压气机，3-中间冷却器，4-高压压气机，5-回热器，6-核反应堆，7-预电离装置，8-盘式磁流体发电机，9-电源控制器，10-氦气透平，11-发电机，12-储气罐低压压气机侧阀门，13-储气罐，14-储气罐高压压气机侧阀门，15-旁路阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明为一种采用磁流体发电装置的闭式高温气冷堆耦合系统，包括磁流体发电装置和高温氦气透平发电系统：

所述磁流体发电装置包括通过核反应堆6产生的高温高压氦气、氙气混合气体工质进入预电离装置7，经过预电离装置7的氦气、氙气混合气体工质具有足够的电导率，导电流体进入盘式磁流体发电机8中心进气道，以一定速度通过与流动方向垂直的磁场，切割磁力线产生电动势，从而产生电能。产生的电能通过电源控制器9整流、逆变为工频交流电，一部分为预电离装置7和盘式磁流体发电机8的超导磁体供电，另一部分并入电网。

所述高温氦气透平发电系统包括：经过盘式磁流体发电机8做功后的混合气工质仍然具有较高的能量，混合气工质进入氦气透平10做功，氦气透平10带动发电机11发电的同时也带动同轴的低压压气机2和高压压气机4对混合气工质进行压缩，氦气透平10的排气仍然具有较高的温度，经过回热器5低压侧后将热量传输给高压侧氦气，然后进入预冷器1降至低温。低温氦气进入带有中间冷却器3的压气机组，然后被压缩成高压氦气。高压氦气经过回热器5高压侧后被加热至接近氦气透平的排气温度，然后进入核反应堆6完成加热过程。

所述低压压气机2、高压压气机4、氦气透平10和发电机11为同轴布置。

所述回热器5低压侧入口连接氦气透平10出口的低压排气，回热器5低压侧出口连接预冷器1，回热器5高压侧入口连接高压压气机4出口的高压排气，回热器5高压侧出口与核反应堆6入口相连。

所述预冷器1、中间冷却器3采用厂区循环冷却水进行冷却，升温后的循环水可进行能量的梯级利用，提高利用效率。

所述储气罐13与储气罐低压压气机侧阀门12和储气罐高压压气机侧阀门14相连，通过控制阀门的开关来调节循环回路中的工质压力，从而实现做功能力的调节。

所述旁路阀15与高压压气机4出口和氦气透平10排气端相连，在机组发生甩负荷工况时快速打开，控制转速飞升。

所述盘式磁流体发电机8为获得更大的磁场强度和较低的能耗采用超导磁体，以获得较高的发电功率和效率。

所述预电离装置7通过控制射频电磁场的功率和频率实现对混合气工质电导率的调节。

所述电源控制器9集合整流、逆变、调压功能，具备向预电离装置7和盘式磁流体发电机8超导磁体供电能力，同时将剩余电量送至电网。

本发明的工作原理：

在机组启动阶段，关闭旁路阀15，电源控制器9到预电离装置7和盘式磁流体发电机8的开关断开，发电机11通过静态变频装置切换为电动机方式运行，氦气透平发电机组在静态变频装置带动下升速，升速过程中通过控制核反应堆6的控制棒逐步提升反应堆输出功率，当氦气透平发电机组达到自持转速后，静态变频装置退出运行，发电机11切换为发电机方式运行。当氦气透平发电机组达到额定转速时，检查核反应堆6输出功率和出口氦气、氙气混合气体工质的温度、压力是否在正常范围内，检查氦气透平发电机组轴系、轴瓦、密封系统运行状态是否正常，如无异常，将发电机11并网。

氦气透平发电机组并网后，逐步提高核反应堆6的输出功率，分别投入电源控制器9到预电离装置7和盘式磁流体发电机8的开关至合闸状态，检查电离装置7出口的混合气工质电导率和盘式磁流体发电机8的输出电压，通过调整混合气工质电导率和盘式磁流体发电机8磁场强度来控制输出功率。

氦气透平发电机组正常运行阶段，可以如下3种方式来调节系统输出功率：

反应性调节：通过控制核反应堆6的控制棒调节堆芯的反应性，直接结果是反应堆出口温度的上升或者下降，反应性调节在高负荷工况下可以保持较高的效率，但在低负荷工况下效率下降较大；

系统压力调节：通过调整储气罐低压压气机侧阀门12和储气罐高压压气机侧阀门14的开度，回路中的混合气工质流出或者流入储气罐，回路中的压力上升或者下降，来实现做功能力的增大或者减小。系统压力调节是运行功率调节的主要手段，通过与核反应堆6输出功率的同步调节，可以保证在部分负荷下系统仍然具有较高的循环效率；旁路阀15调节：旁路阀15调节通常用于应急需要，旁路阀15打开，氦气透平背压快速提高，做功能力急剧下降，同时压气机流量增大，耗功增加，氦气透平发电机组转速会快速下降。