一种基于核能的能源梯级利用多元供能系统

技术领域

本发明涉及核能技术领域，尤其涉及一种基于核能的能源梯级利用多元供能系统。

背景技术

工业企业燃烧化石燃料排放的大量二氧化碳，对环境造成巨大的危害，全球变暖等气候问题已经引起全球的高度关注。因此，推广非化石燃料的使用已经成为世界各国的重点研发方向。

相比于化石燃料，核能是一种新型清洁高效能源。合理地利用核能既不会产生二氧化碳等温室气体，也不会产生烟尘污染空气。根据《BP2030能源展望》，核能等非化石燃料将会成为能源供应的主要来源。因此，核能对于工业企业能源转换和供给系统地清洁转型具有至关重要的意义。

核能主要是指核反应堆中排出的高温氦气存储的大量热能，热能可以用于能源转换。目前只能实现热能的单次转换，产出物单一，而且氦气在经历单次转换之后的余热仍存储较高的热量，这部分余热并未得到充分利用，造成核能的利用率较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于核能的能源梯级利用多元供能系统，其解决了核能的产出物单一以及核能的利用率较低的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明实施例提供一种基于核能的能源梯级利用多元供能系统，其包括核能发电系统、核能制氢制氧系统和核能海水淡化系统。

所述核能发电系统包括第一核能发电系统和第二核能发电系统。

高温氦气由核反应堆1排出后分别进入第一支路和第二支路。

第一支路包括依次连通的所述核能制氢制氧系统和所述第一核能发电系统，第二支路包括所述第二核能发电系统。

所述第一核能发电系统和所述第二核能发电系统皆与所述核能海水淡化系统相通，所述核能海水淡化系统与所述核反应堆1相通。

所述核能发电系统将氦气存储的热能转变为电能，所述核能制氢制氧系统利用氦气存储的热能制备氢气和氧气，所述核能海水淡化系统利用氦气存储的热能进行海水淡化制备蒸馏水。

根据本发明，第二支路还包括回热器和预冷器。

所述回热器包括氦气降温入口511、氦气降温出口512、氦气升温入口513和氦气升温出口514。

所述氦气降温入口511与所述第二核能发电系统相通，所述氦气降温出口512依次与所述预冷器、所述核能海水淡化系统的入口相通，所述氦气升温入口513与所述核能海水淡化系统的出口相通，所述氦气升温出口514与所述核反应堆相通。

根据本发明，所述核能制氢制氧系统包括减压阀和碘硫循环设备。

所述碘硫循环设备包括制氢制氧氦气入口221、制氢制氧氦气出口222、氢气出口223和氧气出口224。

所述制氢制氧氦气入口221与所述减压阀的出口相通，所述制氢制氧氦气出口222与所述第一核能发电系统相通，所述氢气出口223和氧气出口224分别与氢气出口管道和氧气出口管道相通。

根据本发明，所述第一核能发电系统包括换热器、第一汽轮机、发电机、冷凝器和给水泵。

所述换热器包括换热氦气入口311、换热氦气出口312、液态工质水入口313和水蒸气出口314。

所述换热氦气入口311与所述碘硫循环设备的所述制氢制氧氦气出口222相通，所述换热氦气出口312与所述核能海水淡化系统相通。

所述水蒸气出口314依次与所述第一汽轮机、所述冷凝器、所述给水泵和所述工质水入口313相通。

根据本发明，所述第二核能发电系统包括依次连通的汽轮机和发电机。

所述汽轮机与所述回热器的所述氦气降温入口511相通。

根据本发明，所述核能海水淡化系统包括依次连通的低压压缩机、海水淡化器和高压压缩机。

所述海水淡化器包括海水淡化氦气入口621、海水淡化氦气出口622、海水入口623和淡水出口624。

所述换热器的所述换热氦气出口312和所述预冷器分别与所述低压压缩机的入口相通。

所述海水淡化氦气入口621与所述低压压缩机的出口相通，所述海水淡化氦气出口622与所述高压压缩机的入口相通，所述海水入口623与海水管道相通，所述淡水出口624与蒸馏水管道相通。

所述高压压缩机的出口依次与所述回热器和所述核反应堆相通。

根据本发明，所述第一支路和第二支路的氦气进气端分别设置阀门，所述阀门用于控制由核反应堆排出并进入第一支路和第二支路的氦气流量。

根据本发明，所述核反应堆1排出的高温氦气的温度约为800-950℃。

所述核能制氢制氧系统排出的氦气的温度约为200-500℃。

所述第一核能发电系统排出的氦气温度约为35-45℃。

所述第二核能发电系统排出的氦气的温度约为600-700℃。

所述预冷器52排出的氦气温度约为28-35℃。

所述回热器51的所述氦气升温出口514排出的氦气温度为500-600℃。

根据本发明，所述核反应堆1排出的高温氦气的气压为6-7MPa。所述减压阀21排出的氦气压力为5-6MPa。所述低压压缩机61的入口压力为1-2MPa。所述核能海水淡化系统排出的氦气的气压为6-7MPa。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的基于核能的能源梯级利用多元供能系统，以清洁高效的核能为能源主体，以避免传统的化石燃料燃烧后形成的碳排放、有害气体或有害烟尘的排放对环境的污染。

其次，本申请根据核能发电系统、核能制氢制氧系统和核能海水淡化系统所需的热能温度的不同，按照能源梯级利用的原则，合理设计流程顺序。核能制氢制氧系统和第二核能发电系统利用直接由核反应堆1排出的高温氦气分别进行制备氢气氧气和进行发电，第一核能发电系统利用核能制氢制氧系统排出的氦气的余热进行发电，第一核能发电系统排出的氦气的余热以及第二核能发电系统排出的氦气的余热用于核能海水淡化系统进行海水淡化，以实现对不同温度的氦气热能的充分利用，进而提高核能的利用效率。

再次，本申请的能源梯级利用多元供能系统集成了核能发电系统、核能制氢制氧系统和核能海水淡化系统三种核能利用技术，可以同时实现发电、制备氢气氧气和将海水淡化为蒸馏水的功能，能够同时为工业企业提供电能、氢气、氧气和淡水等能源介质，具有多元供能的特点。

附图说明

图1为本发明的基于核能的能源梯级利用多元供能系统的实施例1的系统流程图。

【附图标记说明】

1：核反应堆；

21：减压阀；22：碘硫循环设备；221：制氢制氧氦气入口；222：制氢制氧氦气出口；223：氢气出口；224：氧气出口；

31：换热器；311：换热氦气入口；312：换热氦气出口；313：液态工质水入口；314：水蒸气出口；32：第一汽轮机；33：发电机；34：冷凝器；35：给水泵；

41：汽轮机；42：发电机；

51：回热器；511：包括氦气降温入口；512：氦气降温出口；513：氦气升温入口；514：氦气升温出口；52：预冷器；

61：低压压缩机；62：海水淡化器；621：海水淡化氦气入口；622：海水淡化氦气出口；623：海水入口；624：淡水出口；63：高压压缩机。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明实施例提出的一种基于核能的能源梯级利用多元供能系统，利用核反应堆1中排出的高温氦气存储的热能进行发电、制备氢气和氧气、以及进行海水淡化。

能源梯级利用多元供能系统包括核能发电系统、核能制氢制氧系统和核能海水淡化系统。核能发电系统包括第一核能发电系统和第二核能发电系统。核能发电系统将氦气存储的热能转变为电能，核能制氢制氧系统利用氦气存储的热能制备氢气和氧气，核能海水淡化系统利用氦气存储的热能进行海水淡化制备蒸馏水。

核反应堆1排出的高温氦气的温度为800-950℃，压力为6-7MPa。高温氦气排出后分别进入第一支路和第二支路。第一支路包括依次连通的核能制氢制氧系统和第一核能发电系统，第二支路包括依次连通的第二核能发电系统、回热器51、预冷器52和核能海水淡化系统。

高温氦气进入第一支路后为核能制氢制氧系统提供热量制备氢气和氧气，由核能制氢制氧系统排出的氦气继续进入第一核能发电系统，第一核能发电系统利用氦气的余热进行发电，第一核能发电系统排出的氦气与来自第二支路的氦气汇合后进入核能海水淡化系统。高温氦气进入第二支路后为第二核能发电系统提供热量进行发电，由第二核能发电系统排出的氦气依次流经回热器51、预冷器52后进入核能海水淡化系统，回热器51和预冷器52对第二核能发电系统排出的氦气进行温降，核能海水淡化系统利用氦气余热的热能进行海水淡化以制备蒸馏水，核能海水淡化系统排出的氦气经回热器51升温后流回核反应堆1中，并作为核反应堆1的冷却剂进行使用，实现了氦气的循环利用。

在第一支路和第二支路的氦气进气端分别设置阀门，以控制由核反应堆1排出并分别进入第一支路和第二支路的氦气流量，进而改变各支路能源的制备量，以灵活调节各种能源的供给量，满足工业企业对不同能源的不同需求量。

第一支路中的核能制氢制氧系统包括减压阀21和碘硫循环设备22。碘硫循环设备22包括制氢制氧氦气入口221、制氢制氧氦气出口222、氢气出口223和氧气出口224。制氢制氧氦气入口221与减压阀21的出口相通，制氢制氧氦气出口222与第一核能发电系统相通，氢气出口223和氧气出口224分别与氢气出口管道和氧气出口管道相通。减压阀21用于减小高温氦气的压力。碘硫循环设备22用于制备氢气和氧气。

由核反应堆1排出的温度约为800-950℃、压力为6-7MPa的高温氦气进入第一支路，流经减压阀21将氦气降低至5MPa后进入碘硫循环设备22的制氢制氧氦气入口221，并由制氢制氧氦气出口222排出到第一核能发电系统中。碘硫循环设备22利用氦气的热量实现氢气和氧气的制备，制得的氢气和氧气分别由氢气出口223和氧气出口224排出。碘硫循环设备22中的化学反应包括：

IS+SO

2HI——→I

由碘硫循环设备22的制氢制氧氦气出口222排出的氦气的温度约为200-500℃，该温度较低，适应于蒸汽朗肯循环的发电要求，因此第一核能发电系统采用蒸汽朗肯循环的方式进行发电。

第一核能发电系统包括换热器31、第一汽轮机32、发电机33、冷凝器34和给水泵35。换热器31包括两个通道。第一通道包括换热氦气入口311和换热氦气出口312，换热氦气入口311与碘硫循环设备22的制氢制氧氦气出口222相通，换热氦气出口312与核能海水淡化系统相通，第一通道用于流通氦气。第二通道包括液态工质水入口313和水蒸气出口314，水蒸气出口314依次与第一汽轮机32、冷凝器34、给水泵35和工质水入口313相通，第二通道用于流通工质水。工质是指能够实现热能和机械能相互转化的媒介物质，工质水是指用作工质的水。第二通道中的工质水吸收来自第一通道中的氦气释放的热量，并由液态的工质水转化为气态的水蒸气并进入第一汽轮机32，随后再由冷凝器34和给水泵35将水蒸气冷却为液态的工质水，实现工质水在换热器31、第一汽轮机32、冷凝器34和给水泵35间的循环流动。

换热器31中的工质水一方面吸收来自碘硫循环设备22的氦气的热量以形成水蒸气，用于发电；另一方面可以使碘硫循环设备22排出的氦气的温度降低，使其与第二支路的氦气汇合后符合低压压缩机61对温度的要求，不需要对碘硫循环设备22排出的氦气单独设置降温装置，节约了成本并使系统更加简单，还能使氦气存储的热能和工质水得到最大化的循环利用。本申请的换热器31优选为板翅式换热器。通过在板式换热器增加翅片形成的板翅式换热器，减小了占地面积，并能在同等氦气热能的情况下汽化产生更多的水蒸气，提高了换热器31的换热效率。

由于碘硫循环设备22的制氢制氧氦气出口222排出的氦气的温度约为200-500℃，低于高压汽轮机的温度要求，而中压汽轮机的效率高于低压汽轮机的效率，因此本申请中的第一汽轮机32优选为中压汽轮机。

冷凝器34优选为蒸发式空冷器。蒸发式空冷器是一种将水冷冷却器与冷却塔融合在一起的换热设备，由换热盘管、轴流风机、循环水泵、喷淋装置等主要部件组成。蒸发式空冷器的主要工作原理是：通过水和空气这两种冷却介质，利用管束外水膜蒸发的汽化潜热(汽化潜热是指温度不变时，单位质量的某种液体物质在汽化过程中所吸收的热量)以及空气与水膜进行强制对流换热(对流换热是指流体流经固体时与固体表面之间的热量传递现象)带走的显热(显热是指物体不发生化学变化或相变化时，温度升高或降低所需要的热称为显热)，使换热盘管内的蒸汽得以冷却。蒸发式空冷器具有节水效果好、操作费用低等优点。

氦气由碘硫循环设备22的制氢制氧氦气出口222排出后经换热器31的换热氦气入口311进入换热器31，在换热器31内释放热量后由换热氦气出口312排出到核能海水淡化系统。换热器31内的工质水吸收氦气释放的热量后由液态转化为气态的水蒸气。水蒸气进入第一汽轮机32后成为第一汽轮机32工作的工质，第一汽轮机32将水蒸气的热能转化为机械能，这部分机械能为发电机8提供动力使发电机8产生电流。水蒸气由第一汽轮机32排出后进入冷凝器34，冷凝器34将水蒸气转化为饱和液体的工质水。饱和液体是指饱和状态的液体，此时气、液的温度相同。饱和液体的工质水由冷凝器34排出后进入给水泵35，给水泵35将饱和液体的工质水转化为过冷液体的工质水。过冷液体是指一定压力下温度低于对应的饱和温度的液体或温度低于凝固点的液体。过冷液体的工质水由给水泵35排出后通过换热器31的工质水入口313流回到换热器31，过冷液体的工质水继续在换热器31内吸收氦气释放的热量并由液态转化为气态的水蒸气，实现了工质水的循环利用。

由核反应堆1中排出的氦气温度约为800-950℃，该温度较高，适应于氦气布雷顿循环的发电要求，因此第二支路中的第二核能发电系统采用氦气布雷顿循环的方式进行发电，高温氦气作为第二核能发电系统的工质。

第二支路中的第二核能发电系统包括依次连通的汽轮机41和发电机42。

由核反应堆1排出的温度约为800-950℃、压力为6-7MPa的高温氦气进入第二支路，并进入第二汽轮机41中做功，第二汽轮机41将氦气的热能转化为机械能，该机械能为发电机42提供动力并进行发电。

由第二汽轮机41排出的氦气和第一核能发电系统排出的氦气汇合后经回热器51和预冷器52进入核能海水淡化系统。

回热器51包括两个通路。第一通路包括氦气降温入口511和氦气降温出口512，氦气降温入口511与第二汽轮机41相通，氦气降温出口512依次与预冷器52、低压压缩机61相通，第一通路用于降低来自第二汽轮机41的氦气的温度。第二通路包括氦气升温入口513和氦气升温出口514，氦气升温入口513与核能海水淡化系统相通，氦气升温出口514与核反应堆1相通，第二通路用于吸收来自第二汽轮机41的氦气释放的热量。

回热器51利用来自海水淡化系统的氦气对来自第二汽轮机41的氦气进行冷却，不需要额外加入冷却剂。同时，由于核反应堆1的进口端的温度要求为500-600℃，而海水淡化系统排出的氦气温度低于该温度要求，因此需要先对海水淡化系统排出的氦气进行加热再流回核反应堆1中。回热器51利用来自第二汽轮机41的氦气存储的热量对来自海水淡化系统的氦气进行加热，不需要额外加入热源。回热器51通过来自海水淡化系统的氦气和来自第二汽轮机41的氦气之间的热交换，不需要额外添加冷却剂或热源，可以使氦气存储的热能得到最大化的循环利用，并能降低成本，提高对氦气的热能的利用率。回热器51优选为板翅式热交换器。通过在板式热交换器增加翅片形成的板翅式热交换器，减小了占地面积，并能增加氦气的接触面积，提高了回热器51的热交换效率。由于回热器51只能将氦气的温度降低至100-200℃，该温度过高，会增加核能海水淡化系统中的低压压缩机61(随后进行描述)的电能损耗，这是因为氦气的温度越低，越容易被压缩，越节能，因此需要对氦气进行进一步的冷却。

预冷器52进一步使回热器51排出的氦气的温度降低。预冷器52为板式换热器，所使用的冷源为5℃的冷水，预冷器52可以将氦气冷却至28-35℃。当然，也可以使用其他制冷设备，比如压缩式制冷机，但由于压缩式制冷机需要消耗大量额外的电能，因此本申请优选预冷器52，以降低成本和节约能源。

回热器51和预冷器52的组合使用使回热器51排出的氦气与换热器31的换热氦气出口312排出的氦气混合后的氦气温度降低，以减小低压压缩机61(随后进行描述)的电能损耗。同时，采用回热器51和预冷器52对氦气的逐步冷却方式，还可以减少预冷器52中的制冷剂的使用量，降低成本，还能缩短制冷所需的时间，提高制冷效率。

由第二汽轮机41排出的氦气的温度约为600-700℃。由换热器31的换热氦气出口312排出的氦气温度约为35-45℃。氦气由第二汽轮机41排出后经回热器51的氦气降温入口511进入回热器51，并在回热器51中释放热量，使温度降低至500-600℃。随后氦气由氦气降温出口512排出并进入预冷器52，预冷器52将氦气的温度进一步降低至约28-35℃，由预冷器52排出的氦气和换热器31排出的氦气混合后进入核能海水淡化系统。

核能海水淡化系统包括依次连通的低压压缩机61、海水淡化器62和高压压缩机63。海水淡化器62包括两个通道。第一通道包括海水淡化氦气入口621和海水淡化氦气出口622，第二通道包括海水入口623和淡水出口624。换热器31的换热氦气出口312与预冷器52分别与低压压缩机61的入口相通。海水淡化器62的海水淡化氦气入口621与低压压缩机61的出口相通，海水淡化氦气出口622与高压压缩机63相通，海水入口623与海水管道相通，淡水出口624与蒸馏水管道相通。换热器31的换热氦气出口312排出的氦气与预冷器52排出的氦气混合后的氦气依次流经低压压缩机61、海水淡化器62、高压压缩机63和回热器51后作为核反应堆1的冷却剂流回核反应堆1。

由于核反应堆1的入口端的压力设定值为6-7MPa，而进入核能海水淡化系统的氦气压力值为1-2MPa，该压力值低于核反应堆1的入口端的压力设定值，因此本申请设置低压压缩机61和高压压缩机63对氦气压缩以提高其压力，使氦气满足核反应堆1的入口端的压力要求。低压压缩机61入口的氦气压力为1-2MPa，低压压缩机61出口的氦气压力为3-4MPa，高压压缩机63出口的氦气压力为6-7MPa。由于一级压缩机难以实现如此高的压力提升(由1-2MPa提升至6-7MPa)，因此本申请设置两级压缩机：先通过低压压缩机61将氦气的压力提升至3-4MPa，再通过高压压缩机63将氦气的压力提升至6-7MPa。为了保证低压压缩机61和高压压缩机63的总电耗最小，本申请优选设置低压压缩机61和高压压缩机63的压缩比相等(压缩比的定义为：压缩机出口的氦气压力与入口的氦气压力的比值)。本申请将低压压缩机61和高压压缩机63优选为离心式压缩机。离心式压缩机具有气体容量大、结构简单紧凑、重量轻、机组尺寸小和占地面积小的优点。

海水淡化器62用于将海水淡化为蒸馏水，蒸馏水可用作工业企业的新水，以减少工业企业对淡水的消耗，解决淡水资源逐渐匮乏的现状，有利于淡水资源的可持续发展。海水淡化的方式主要有：低温多效蒸馏法、热压缩法、反渗透法和多级闪蒸法。本申请的海水淡化器优选采用低温多效蒸馏法，该方法具有动力能耗小、热效率高的优势。

换热器31的换热氦气出口312排出的氦气与预冷器52排出的氦气混合后的氦气进入低压压缩机61，低压压缩机61将氦气的气压增大至3-4MPa，同时低压压缩机61做功生热，使氦气的温度升高至约150-200℃。温度约为150-200℃、气压为3-4MPa的氦气由低压压缩机61排出后由海水淡化氦气出口622进入海水淡化器62，同时海水由海水管道经海水入口623进入海水淡化器62，海水吸收氦气的热量以制备蒸馏水，蒸馏水经淡水出口624由蒸馏水管道排出。高压压缩机63将氦气的气压增大至6-7MPa。氦气由海水淡化器62的海水淡化氦气出口622排出后经氦气升温入口513进入回热器51，此部分氦气在回热器51内吸收由第二汽轮机41排出的氦气的热量后温度升高至500-600℃。回热器51的氦气升温出口514将氦气排出并流回核反应堆1，使其作为核反应堆1的冷却剂循环使用。

本申请的基于核能的能源梯级利用多元供能系统，以清洁高效的核能为能源主体，以避免传统的化石燃料燃烧后形成的碳排放、有害气体或有害烟尘的排放对环境的污染。

其次，本申请根据核能发电系统、核能制氢制氧系统和核能海水淡化系统所需的热能温度的不同，按照能源梯级利用的原则，合理设计流程顺序。核能制氢制氧系统和第二核能发电系统利用直接由核反应堆1排出的高温氦气分别进行制备氢气氧气和进行发电，第一核能发电系统利用核能制氢制氧系统排出的氦气的余热进行发电，第一核能发电系统排出的氦气的余热以及第二核能发电系统排出的氦气的余热用于核能海水淡化系统进行海水淡化，以实现对不同温度的氦气热能的充分利用，进而提高核能的利用效率。

再次，本申请的能源梯级利用多元供能系统集成了核能发电系统、核能制氢制氧系统和核能海水淡化系统三种核能利用技术，可以同时实现发电、制备氢气氧气和将海水淡化为蒸馏水的功能，能够同时为工业企业提供电能、氢气、氧气和淡水等能源介质，具有多元供能的特点。

最后，本申请的能源梯级利用多元供能系统能够根据工业企业对不同能源介质的需求量的不同，改变相应支路的氦气流量，进而改变各支路能源的制备量，以灵活调节各种能源的供给量。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。