一种氦-二氧化碳热量交换的系统和方法

技术领域

本发明属于核电技术领域，具体涉及一种氦-二氧化碳热量交换的系统和方法。

背景技术

目前高温气冷堆示范电站一回路核燃料产生的热量是通过氦-水管壳式螺旋管换热器(直流蒸发器)及其系统将热量传递给二回路的水的。

该系统存在以下一些问题：

(1)该系统结构复杂，特别是直流蒸发器制造、运行困难；

(2)蒸发器在出厂前的打压实验中及冷试、热试过程中均发生了大量异响，目前尚不能确认原因，也无法消除，是机组安全运行的安全隐患；

(3)机组在运行中球型核燃料及压力容器碳砖之间存在碰撞与摩擦，难免产生石墨粉尘，目前这些石墨粉尘还无法清除；

(4)主氦风机设置在蒸发器内部，主氦风机的任何故障均需要打开蒸发器的端盖进行检查，破坏了一回路的压力边界；

(5)目前在建的高温气冷堆核电站示范工程，蒸发器换热管内为14MPa、570℃的蒸汽，换热管外为7MPa、750℃的带有放射性石墨粉尘的氦气，换热管在运行中泄漏后危害很大。

(6)换热管故障后没有换管的手段，一根换热管在大负荷下的泄露将会损伤临近换热管，大量换热管的损伤将影响机组出力，甚至使得蒸发器报废。

(7)在启动停止阶段、干湿态转换阶段均存在蒸发器入口给水流量温度、流量难以控制，蒸发器出口压力波动大，主蒸汽温度变化剧烈，影响到蒸发器及汽轮机运行安全。

(8)在事故停堆后机组需要长时间冷却才能再次建立水循环启动，影响到机组的可用性及经济性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种氦-二氧化碳热量交换的系统和方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种氦-二氧化碳热量交换的系统，包括氦-二氧化碳换热器、氦气入口集箱、氦气出口集箱、二氧化碳入口集箱和二氧化碳出口集箱；其中，

氦气入口集箱的出口接在氦-二氧化碳换热器的第一入口，氦-二氧化碳换热器的第一出口接在氦气出口集箱的入口，二氧化碳入口集箱的出口接在氦-二氧化碳换热器的第二入口，氦-二氧化碳换热器的第二出口接在二氧化碳出口集箱的入口。

本发明进一步的改进在于，氦气入口集箱内配备有可清洗、拆卸的滤网，并配备差压监视装置来监视滤网差压。

本发明进一步的改进在于，二氧化碳入口集箱内配备有可清洗、拆卸的滤网，并配备差压监视装置来监视滤网差压，氦-二氧化碳换热器是一种板式换热器。

本发明进一步的改进在于，还包括主氦风机、反应堆压力容器入口管道和反应堆压力容器；其中，

氦气出口集箱的出口接在主氦风机的入口，氦风机的出口接在反应堆压力容器入口管道的入口，反应堆压力容器入口管道的出口接在反应堆压力容器的入口，反应堆压力容器的出口接在反应堆压力容器出口管道的入口，反应堆压力容器出口管道的出口接在氦气入口集箱的入口。

本发明进一步的改进在于，还包括压力二氧化碳透平出口管阀组、压缩机、二氧化碳透平入口管阀组和二氧化碳透平；其中，

二氧化碳出口集箱的出口接在二氧化碳透平入口管阀组的入口，二氧化碳透平入口管阀组的出口接在二氧化碳透平的入口，二氧化碳透平的出口接在二氧化碳透平出口管阀组的入口，二氧化碳透平出口管阀组的出口接在压缩机的入口，压缩机的出口接在二氧化碳入口集箱的入口。

本发明进一步的改进在于，二氧化碳透平出口管阀组内包含有逆止阀。

本发明进一步的改进在于，二氧化碳透平入口管阀组内包含有隔离阀和调节阀。

一种氦-二氧化碳热量交换的方法，该方法基于所述的一种氦-二氧化碳热量交换的系统，包括以下步骤：

氦-二氧化碳换热器在氦-二氧化碳热量交换系统的其它设备连接好并完成清洁后再接入系统；

由二氧化碳透平出口管阀组、压缩机、二氧化碳入口集箱、氦-二氧化碳换热器的二氧化碳侧、二氧化碳出口集箱、二氧化碳透平入口管阀组、二氧化碳透平组成二氧化碳系统，在二氧化碳系统内充入二氧化碳气体，由压缩机提供动力建立起二氧化碳循环；

由反应堆压力容器、反应堆压力容器出口管道、氦气入口集箱、氦-二氧化碳换热器的氦气侧、氦气出口集箱、主氦风机、反应堆压力容器入口管道组成氦气系统，在氦气系统内充入氦气，由主氦风机提供动力建立起氦气循环；

在反应堆启动后，氦气在反应堆压力容器内吸热后温度提高，通过氦气循环在氦-二氧化碳换热器中将热量传递给二氧化碳系统中的二氧化碳，完成氦-二氧化碳的热量交换；

二氧化碳在氦-二氧化碳换热器中吸热后温度升高，高温氦气通过二氧化碳透平入口管阀组后进入到二氧化碳透平中做功，氦气温度和压力降低。

本发明进一步的改进在于，在氦-二氧化碳热量交换的系统在运行过程中，监视氦气入口集箱内的滤网差压，当滤网差压高时，将滤网抽出进行清洗。

本发明进一步的改进在于，在氦-二氧化碳热量交换的系统在运行过程中，监视二氧化碳入口集箱内的滤网差压，当滤网差压高，将滤网抽出进行清洗。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种氦-二氧化碳热量交换的系统和方法，该系统与目前通常使用的系统比起来有以下几方面明显的优点：

1)在氦-二氧化碳换热器的氦气系统入口集箱中设置滤网，可以过滤、减少一回路氦气中携带的粉尘，提高了机组运行的安全性；

2)氦-二氧化碳换热器采用板式换热器，换热器结构稳定，不会发生流致振动；

3)主氦风机)设置在氦-二氧化碳换热器外部，有利于故障检修；

4)超临界二氧化碳发电循环全工况范围无相变，一二回路换热器为气-气(氦气-超临界二氧化碳)换热器，避免了干湿态转化，避免了启停和运行过程的两相流流动不稳定性等问题，从机理上极大程度的规避了换热器流致振动的问题；

5)超临界二氧化碳发电循环在高温度参数条件下，效率优势更为显著，与高温气冷堆的定位更加契合。在600℃等级，净效率可以水工质循环提高3-5个点，700℃等级，净效率可以水工质循环提高6-8个点。

附图说明

图1为本发明一种氦-二氧化碳热量交换的系统的结构框图。

附图标记说明：

1、氦-二氧化碳换热器，2、氦气入口集箱，3、反应堆压力容器出口管道，4、氦气出口集箱，5、主氦风机，6、反应堆压力容器入口管道，7、二氧化碳入口集箱，8、二氧化碳透平出口管阀组，9、二氧化碳出口集箱，10、二氧化碳透平入口管阀组，11、压缩机，12、反应堆压力容器，13、二氧化碳透平。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种氦-二氧化碳热量交换的系统，包括氦-二氧化碳换热器1、氦气入口集箱2、氦气出口集箱4、主氦风机5、反应堆压力容器入口管道6、二氧化碳入口集箱7、二氧化碳透平出口管阀组8、二氧化碳出口集箱9、二氧化碳透平入口管阀组10、压缩机11、反应堆压力容器12和二氧化碳透平13。

其中，氦气入口集箱2的出口接在氦-二氧化碳换热器1的第一入口，氦-二氧化碳换热器1的第一出口接在氦气出口集箱4的入口，二氧化碳入口集箱7的出口接在氦-二氧化碳换热器1的第二入口，氦-二氧化碳换热器1的第二出口接在二氧化碳出口集箱9的入口。氦气出口集箱4的出口接在主氦风机5的入口，氦风机5的出口接在反应堆压力容器入口管道6的入口，反应堆压力容器入口管道6的出口接在反应堆压力容器12的入口，反应堆压力容器12的出口接在反应堆压力容器出口管道3的入口，反应堆压力容器出口管道3的出口接在氦气入口集箱2的入口。二氧化碳出口集箱9的出口接在二氧化碳透平入口管阀组10的入口，二氧化碳透平入口管阀组10的出口接在二氧化碳透平13的入口，二氧化碳透平13的出口接在二氧化碳透平出口管阀组8的入口，二氧化碳透平出口管阀组8的出口接在压缩机11的入口，压缩机11的出口接在二氧化碳入口集箱7的入口。

优选地，氦气入口集箱2内配备有可清洗、拆卸的滤网，并配备差压监视装置来监视滤网差压。二氧化碳入口集箱7内配备有可清洗、拆卸的滤网，并配备差压监视装置来监视滤网差压，氦-二氧化碳换热器1是一种板式换热器。

优选地，二氧化碳透平出口管阀组8内包含有逆止阀。二氧化碳透平入口管阀组10内包含有隔离阀和调节阀。

本发明提供的一种氦-二氧化碳热量交换的方法，包括以下步骤：

氦-二氧化碳换热器1在氦-二氧化碳热量交换系统的其它设备连接好并完成清洁后再接入系统；

由二氧化碳透平出口管阀组8、压缩机11、二氧化碳入口集箱7、氦-二氧化碳换热器1的二氧化碳侧、二氧化碳出口集箱9、二氧化碳透平入口管阀组10、二氧化碳透平13组成二氧化碳系统，在二氧化碳系统内充入二氧化碳气体，由压缩机11提供动力建立起二氧化碳循环；

由反应堆压力容器12、反应堆压力容器出口管道3、氦气入口集箱2、氦-二氧化碳换热器1的氦气侧、氦气出口集箱4、主氦风机5、反应堆压力容器入口管道6组成氦气系统，在氦气系统内充入氦气，由主氦风机5提供动力建立起氦气循环；

在反应堆启动后，氦气在反应堆压力容器12内吸热后温度提高，通过氦气循环在氦-二氧化碳换热器1中将热量传递给二氧化碳系统中的二氧化碳，完成氦-二氧化碳的热量交换；

二氧化碳在氦-二氧化碳换热器1中吸热后温度升高，高温氦气通过二氧化碳透平入口管阀组10后进入到二氧化碳透平13中做功，氦气温度和压力降低。

其中，在氦-二氧化碳热量交换的系统在运行过程中，监视氦气入口集箱2内的滤网差压，当滤网差压高时，将滤网抽出进行清洗。在氦-二氧化碳热量交换的系统在运行过程中，监视二氧化碳入口集箱7内的滤网差压，当滤网差压高，将滤网抽出进行清洗。

高温气冷堆二氧化碳发电系统采用“氦-二氧化碳”板式换热器，较目前高温气冷堆水汽发电系统所采用的螺旋管直流蒸发器，结构简单、容易制造、运行安全可靠性好。

二回路利用二氧化碳作为冲转透平的介质，不存在相变，不需要的“汽水分离器”、启停堆系统；不需要凝汽器、凝结水系统、循环水系统；不需要化学制水系统、给水加药系统；精处理系统。高温气冷堆二氧化碳发电系统较高温气冷堆水汽发电系统，系统大大简化。