一种核电余热强化电渗发电系统

技术领域

本发明属于核电技术领域，具体涉及一种核电余热强化电渗发电系统。

背景技术

近年来我国核电事业发展迅速，核电装机容量不断提升。然而，目前运行的核电站均采用海水作为循环冷却用水，约2/3的能量以余热的方式经冷却水进入海洋环境，造成排放口及其附近区域海水温度升高，形成水体热污染，导致海洋生物的生长与繁殖受到影响，破坏海洋生物链及海洋生态环境，这种处理方式称为“一次循环冷却”。另外一种温排水的处理方式是排至冷却塔，采用冷却塔来冷却循环水，冷却水携带的余热经冷却塔释放到环境大气中，称为“二次循环冷却”。例如，美国的104台核电机组中，60台使用一次冷却，35台使用湿式冷却塔的二次冷却，9台使用根据环境条件进行切换的双冷却系统。我国目前所有运行和在建核电站均选用滨海厂址，采用以海水为最终热阱的一次循环冷却方式。

针对目前核电站温排水存在的问题，考虑到核电站的温排水为海水且离子浓度和温度较高，可以采用离子电渗发电技术，提升核电站温排水的余热利用效率，并减少温排水对海洋生态环境的影响。

离子电渗发电技术是一种新型发电技术，工作原理为电解液在多种源动力的驱动下，带电离子在具有选择性的纳米孔道内定向迁移从而产生电流。电渗发电通常由高浓度腔室、纳米膜和低浓度腔室三部分构成，而多种源动力通常为浓度梯度、温度梯度和压力梯度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种核电余热强化电渗发电系统，利用温排水的盐差能进行电渗发电，并利用温排水的余热和乏汽的余热，调节淡水温度和海水温度，使电渗发电的发电效率最优；另一方面，在提高发电效率的同时，可以减轻凝汽器的冷凝负荷，并使海水温度降低至水域平均温度，降低温排水对海洋生态的影响。

本发明采用以下技术方案：

一种核电余热强化电渗发电系统，包括：

核电站的温排水系统，是指将汽轮机乏汽与循环冷却水在凝汽器中进行热交换的系统，其中，循环冷却水为海水，温排水指热交换后温度上升的循环冷却水；所述的温排水可以降低温度后排到自然水域，且作为电渗发电时第二腔室的流体；

热交换系统，一方面可以提升淡水温度，强化电渗发电的效率；另一方面可以降低凝汽器的冷凝负荷，实现核电余热的有效利用，提升核电机组运行效率；温排水与常温淡水首先在第一换热器中进行热交换，将温排水降至水域平均温度；淡水与汽轮机乏汽在第二换热器中进行热交换，将进入电渗发电系统的淡水和海水温差控制在最佳值；

电渗发电系统包括装有淡水的第一腔室、装有海水的第二腔室、纳米薄膜、第一电极、第二电极和外电路；基于第二腔室和第一腔室的浓度差驱动海水中的阳离子由纳米薄膜中的选择性通道从第二腔室定向迁移至第一腔室而形成离子电流，外电路电子从第二电极移至第一电极形成电流，完成电渗发电。

具体的，电渗发电系统还包括发电机和抽取循环冷却水的泵，泵可由发电机直接供电，汽轮机排出的乏汽在进入凝汽器前，抽取部分进入热交换系统中，减少凝汽器的冷凝负荷，并将进入电渗发电系统的淡水和海水温差调控至最佳值。

具体的，热交换系统中包含海水温度控制系统、淡水温度控制系统和乏汽冷凝控制系统；热交换系统可以将海水的温度降至当前水域的平均温度，减少核电站温排水对海洋生态环境的影响。

进一步的，海水温度控制系统由淡水流量调节阀、海水温度传感器和海水温度控制器组成；海水温度传感器测量第一换热器出口处海水的温度，海水温度控制器根据海水温度测量值与其设定值的偏差控制淡水流量调节阀开度，通过调节淡水流量将最终排放的海水冷却至当前水域的平均温度。

进一步的，淡水温度控制系统由乏汽流量调节阀、海水/淡水温度传感器和淡水温度控制器组成；海水/淡水温度传感器分别测量第一换热器出口处海水的温度和第二换热器出口处淡水的温度，淡水温度控制器根据海水/淡水温度测量值控制第二换热器进口的乏汽流量调节阀开度，通过调节乏汽流量使得第二换热器的淡水出口温度比第一换热器的海水出口温度高。

进一步的，乏汽冷凝控制系统由凝水温度传感器、冷板功率调节器和乏汽冷凝控制器组成；凝水温度传感器测量第二换热器出口处乏汽冷凝后的温度，乏汽冷凝控制器根据乏汽冷凝温度测量值与其设定值的偏差调节第二换热器中冷板的输入功率，通过调节冷板功率使得乏汽完全冷凝。

进一步的，控制系统中的控制器采用PID控制器，并从海水温度控制系统中引出淡水流量调节阀开度信号前馈给淡水温度控制系统，提升淡水温度的调控速度。

具体的，热交换系统中第一换热器采用新型塔式结构的换热器。

进一步的，热交换系统中第二换热器为汽水换热器，换热器出口处加入冷板，电渗发电系统给冷板供电，用以完全冷却乏汽，使其可以进入核电站二回路凝给水系统中循环。

具体的，电渗发电系统中的纳米薄膜带有阳离子选择通道，且纳米孔为非对称结构。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明充分利用核电站的乏汽余热和温排水余热，将其与电渗发电系统相结合，淡水经过核电站凝汽器产生的温排水和汽轮机乏汽的两级加热后，作为电渗发电系统中第一腔室的循环给水；温排水将部分热量传递给淡水后，作为电渗发电系统中第二腔室的循环给水；通过设计淡水温度控制系统，将进入电渗发电系统的淡水和海水温差调控至最佳值，最大化电渗发电的效率；通过设计的海水温度控制系统，将温排水温度调控至自然水域的平均温度。本发明可在提高核能发电效率的同时，显著降低核电站温排水对海洋生态环境的影响，提升核电站的经济和生态效益。

本发明创造性地利用了温度对电渗发电性能的影响，以核电站温排水作为电渗发电系统中高浓度侧的工质，将被温排水和汽轮机乏汽加热之后的淡水作为电渗发电系统中低浓度侧的工质，并将两者温差调控至最佳值，达到充分利用核电余热提升电渗发电效率的目的。在汽轮机乏汽与淡水的换热中，加入了淡水温度控制系统，有以下好处：

1)将电渗发电系统两腔室进口流体的温差控制在最佳值，使电渗发电效率维持在一个较高的水平；

2)将核电站温排水温度降低至当前水域的平均温度；

3)有效利用了部分汽轮机乏汽并使其完全冷凝，减轻了核电站二回路凝汽器的冷凝压力；

4)电渗发电系统所产生的电能可以储存起来，供给核电站厂用电或补充为备用电源，提高能源的利用效率，降低核电站的运行成本。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

图1为本发明核电余热强化电渗发电系统的结构示意图；

图2为本发明核电余热强化电渗发电系统的运行逻辑示意图；

图3为本发明海水温度控制模块与淡水温度控制模块示意图；

图4为本发明乏汽冷凝控制模块示意图；

图5为本发明第一换热器的换热结构示意图，其中，(a)为立体图，(b)为爆炸图；

图6为本发明第二换热器的换热结构示意图。

其中：1.汽轮机；2.发电机；3.海水泵；4.汽轮机排气管；5.循环冷却水入口管；6.汽轮机排汽抽汽管；7.凝汽器；8.凝气管出口管；9.循环冷却水出口管；10.第二换热器一出口管；11.乏汽流量调节阀；12.第一换热器；13.淡水温度控制器；14.第二换热器；15.第一换热器一出口管；16.第一换热器二出口管；17.淡水温度传感器；18.海水温度传感器；19.第一腔室；20.纳米薄膜；21.第二腔室；22.第一电极；23.第二电极；24.蓄电池；25.淡水流量调节阀；26.海水温度控制器；27.乏汽冷凝水温度传感器；28.乏汽冷凝控制器；29.热电冷板；30.海水入口；31.支撑柱；32.淡水入口；33.折流板；34.乏汽入口。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种核电余热强化电渗发电系统，利用温排水的盐差能进行电渗发电，并利用温排水的余热和乏汽的余热，调节淡水温度和海水温度，使电渗发电的发电效率最优；另一方面，在提高发电效率的同时，可以减轻凝汽器的冷凝负荷，并使海水温度降低至水域平均温度，降低温排水对海洋生态的影响。

本发明一种核电余热强化电渗发电系统，核电站的温排水系统、热交换系统与电渗发电系统；

所述的温排水系统，是指将汽轮机乏汽与循环冷却水在凝汽器中进行热交换的系统，其中，循环冷却水为海水，温排水指热交换后温度上升的循环冷却水；所述的温排水作为电渗发电时第二腔室的流体；

所述的热交换系统，用于提升淡水温度，强化电渗发电的效率；其中，温排水与常温淡水首先在第一换热器中进行热交换，之后，淡水与汽轮机乏汽在第二换热器中进行热交换；抽取的乏汽在第二换热器中先与淡水换热，之后通过冷板，完全冷凝后返回核电站二回路凝给水系统中循环；

所述的电渗发电系统包括装有淡水的第一腔室、装有海水的第二腔室、纳米薄膜、第一电极、第二电极和外电路；其中，基于第二腔室和第一腔室的浓度差驱动，海水中的阳离子由纳米薄膜中的选择性通道从第二腔室定向迁移至第一腔室而形成离子电流，外电路电子从第二电极移至第一电极形成电流，从而完成电渗发电。

在一个实施例中，

温排水系统还包括发电机和抽取循环冷却水的泵，泵可由发电机直接供电，汽轮机排出的乏汽在进入凝汽器前，抽取部分进入热交换系统中，减少凝汽器的冷凝负荷。

在一个实施例中，

所述的热交换系统中包含海水温度控制系统、淡水温度控制系统和乏汽冷凝控制系统。

在一个实施例中，

海水温度控制系统由淡水流量调节阀、海水温度传感器和海水温度控制器组成；海水温度传感器测量第一换热器出口处海水的温度，海水温度控制器根据海水温度测量值与其设定值的偏差控制淡水流量调节阀开度，通过调节淡水流量将最终排放的海水冷却至当前水域的平均温度。

在一个实施例中，

淡水温度控制系统由乏汽流量调节阀、海水/淡水温度传感器和淡水温度控制器组成；海水/淡水温度传感器分别测量第一换热器出口处海水的温度和第二换热器出口处淡水的温度，淡水温度控制器根据海水/淡水温度测量值调节第二换热器进口的乏汽流量调节阀，通过调节乏汽流量使得第二换热器的淡水出口温度比第一换热器的海水出口温度高20摄氏度。

在一个实施例中，

乏汽冷凝控制系统由凝水温度传感器、冷板功率调节器和乏汽冷凝控制器组成；凝水温度传感器测量第二换热器出口处乏汽冷凝后的温度，乏汽冷凝控制器根据乏汽冷凝温度测量值与其设定值的偏差调节第二换热器中冷板的输入功率，通过调节冷板功率使得乏汽完全冷凝。

在一个实施例中，

控制系统中的控制器采用PID控制器，并从海水温度控制系统中引出淡水流量调节阀开度信号前馈给淡水温度控制系统，提升淡水温度的调控速度。

在热交换系统中，在一个实施例中，

热交换系统中第一换热器采用新型塔式结构的换热器，提高海水与淡水的换热效率，将海水的温度降至当前水域的平均温度，减少温排水对生态环境的影响

在一个实施例中，

热交换系统中第二换热器为汽水换热器，换热器出口处加入冷板，利用电渗发电中增加的能量给冷板供电，用以完全冷却乏汽，使其可以进入核电二回路凝给水系统中循环。

在一个实施例中，

电渗发电系统中的纳米薄膜带有阳离子选择通道，且纳米孔为非对称结构。

在一个实施例中，

第一腔室、第二腔室和纳米薄膜的大小根据海水和淡水的流量来确定。

需要说明的是，上述实施例体现了本发明的关键发明构思：利用核电站汽轮机乏汽冷凝和温排水降温排放的需要，将汽轮机乏汽和温排水余热的利用与电渗发电相结合，减轻了凝汽器的工作负担，降低了温排水排放对自然水域的影响，电渗发电系统所发电量可从外电路中取用或储存起来备用。因此，本专利适用于滨海核电站的余热利用。。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

为了更好地理解，如图1和图2所示，核电站余热强化电渗发电系统包括核电站的温排水系统、热交换系统和电渗发电系统，其中，

所述的温排水系统包括汽轮机1、发电机2、海水泵3、汽轮机排汽管4、循环冷却水入口管5、汽轮机排汽抽汽管6、凝汽器7、凝汽器出口管8和循环冷却水出口管9。

海水泵3抽取循环冷却水(海水)进入凝汽器中，将汽轮机1排出的乏汽冷却后，凝结水由凝汽器出口管8接入二回路系统中，而循环冷却水从循环冷却水出口管9排出。其中，汽轮机1带动发电机2发电，可以给海水泵3供电。

所述的热交换系统包括了第一换热器12、第二换热器14、调节阀11、调节阀25、淡水控制模块13、海水控制模块26、乏汽温度控制模块28、淡水温度传感器17、海水温度传感器18、乏汽冷凝水温度传感器27、第一换热器一出口管15、第一换热器二出口管16和第二换热器一出口管10。

温排水(海水)从循环冷却水出口管9排出后，进入第一换热器12与淡水进行换热，海水从第一换热器二出口管16排出，淡水从第一换热器一出口管15排出后进入第二换热器14。其中，可以调节阀门25控制淡水流量，使海水出口温度降低至水域平均温度。第二换热器14内，乏汽与淡水换热，乏汽与淡水换热后，经过冷板冷凝成水，由第二换热器一出口管10排出进入核电站二回路凝给水系统，淡水由出口管排出进入电渗发电系统。其中，淡水温度传感器17和海水温度传感器18会实时检测进入电渗发电系统的淡水温度和海水温度，并将相应的信号传入淡水温度控制系统13，通过控制调节阀11的开度，调节进入第二换热器的乏汽流量，使得淡水入口温度比海水入口温度高20摄氏度左右。

电渗发电模块包括了第一腔室19、纳米薄膜20、第二腔室21、第一电极22、第二电极23和厂区用电24。

第二换热出口的淡水进入第一腔室19、海水进入第二腔室21。基于第一腔室19和第二腔室21的浓度差驱动，海水中的阳离子由纳米薄膜20中的选择性通道从第二腔室21定向迁移至第一腔室19而形成离子电流，外电路电子从第二电极23移至第一电极21形成电流，储存到蓄电池24中，从而完成电渗发电。

整个系统的运行流程如图2所示，在第一至第二阶段，抽出部分乏汽，降低凝汽器的冷凝负荷，海水温度上升；在第三至第四阶段，海水与淡水换热，提升后端电渗发电的效率；在第四阶段之后，海水温度降低至当前水域的平均温度，降低温排水对海洋生态的影响；在第五至第六阶段，利用抽取的汽轮机乏汽进一步加热淡水，使进入电渗发电系统的淡水温度比海水温度高20摄氏度左右，保证电渗发电效率最优，同时未完全冷凝的乏汽可由冷板进一步冷却，凝结水进入核电站二回路凝给水系统中循环。

在一个实施例中，

海水温度控制系统中引出淡水流量调节阀开度信号前馈给淡水温度控制系统，提升淡水温度的调控速度，如图3所示。第一换热器出口的海水温度测量值与其设定值(当地海水平均温度)相减，温度偏差信号进入控制器运算后输出淡水流量调节阀开度，调节淡水入口流量；同样，第二换热器出口的淡水温度测量值与第一换热器出口的海水温度测量值相减，并与淡水/海水温差设定值做差，偏差信号经控制器运算后与淡水流量调节阀的前馈信号叠加，输出乏汽流量调节阀开度，通过调控进入第二换热器的乏汽流量，使进入电渗发电系统的淡水和海水温差维持在最佳值。前馈信号的引入可以提高淡水温度控制系统的调节速度。

在一个实施例中，

乏汽冷凝控制系统中，使用负反馈控制结构，冷凝水的出口温度由传感器测量并反馈，与其设定值相减后，输入控制器，调节蓄电池的输出功率，使冷板完全冷凝乏汽，如图4所示。

在一个实施例中，

第一换热器采用新型塔式换热器，可以提高海水与淡水的换热效率，如图5所示。第一换热器采用了三层全贴合的塔式结构，图中32为淡水入口，30为海水入口，两者流向相反；31为支撑柱。海水与淡水在相同层时通过间壁换热，在不同层时也可以换热，使换热更为充分。

在一个实施例中，

第二换热器采用一个间壁式的新型换热器，具体如图6所示，图中32为淡水入口，34为乏汽入口，29为热电冷板，33为折流板。乏汽与淡水逆向流动，通过间壁换热，换热结束后进入带有热电冷板的容腔中，且容腔中带有折流板，增加未凝结的乏汽与冷板的接触时间，通过控制冷板的功率，使乏汽完全冷凝。

仿真实验

下面将结合商业仿真软件COMSOL Multiphysics 5.6和MWorks2022对本发明加以说明，需要特别注意的是，所展示的仿真实例仅用于解释本发明，而不对本发明起任何限定作用。

在一个实施例中，

防城港核电站在八月份的海水温度为29.2℃，额定工况下防城港核电站3号机组的温排水温升为7.88℃，可以计算得到八月份温防城港核电站3号机组温排水出口温度约为37.08℃。输入的淡水为常温20℃。

使用MWorks2022对套管式换热器和本专利所述的换热结构进行建模仿真，可以计算得出，进入离子电渗发电池中的海水温度为26℃，淡水温度为46℃。

使用COMSOL Multiphysics 5.6对离子电渗发电效率进行计算。为了节省计算资源，仿真模型采用电渗发电的最小单位，设置海水的离子浓度为500mol/m

表1仿真结果

从仿真结果中可以看出，针对防城港核电站3号机组，在八月份本发明所提出的系统可以利用核电站温排水的余热，将离子电渗发电功率提升277.78％，且降低了凝汽器的冷凝负荷，并使核电站温排水的温度降低，减小了温排水对海洋生态环境的影响，具有良好的经济和生态效益。

综上所述，本发明一种核电余热强化电渗发电系统，创造性地利用了温度对电渗发电性能的影响，以核电站温排水作为电渗发电系统中高浓度侧的工质，将被温排水和汽轮机乏汽加热之后的淡水作为电渗发电系统中低浓度侧的工质，并将两者温差调控至最佳值，达到充分利用核电余热提升电渗发电效率的目的。在汽轮机乏汽与淡水的换热中，加入了淡水温度控制系统，有以下好处：

1)将电渗发电系统两腔室进口流体的温差控制在最佳值，使电渗发电效率维持在一个较高的水平；

2)将核电站温排水温度降低至当前水域的平均温度；

3)有效利用了部分汽轮机乏汽并使其完全冷凝，减轻了核电站二回路凝汽器的冷凝压力；

4)电渗发电系统所产生的电能可以储存起来，供给核电站厂用电或补充为备用电源，提高能源的利用效率，降低核电站的运行成本。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。