CN104314631A - 利用低温核供热反应堆非供暖季发电系统与其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用低温核供热反应堆非供暖季发电的系统和方法。本发明利用低温发电系统进行发电，设备包括核反应供热堆提供的热水源、蒸发器、预热器、储液罐、冷凝器、膨胀机、发电机和冷却塔。所述的发电系统由三组循环回路组成，循环回路一是供热回路，循环回路二是发电及热循环回路，循环回路三是冷却回路。本发明使低温核供热堆在非供暖季不用停堆，而是将其提供的热水或蒸汽转化为高品位电能，并电力并网，可以缓解目前生产和生活用电紧张的现状，由于利用了闲置资源使发电成本极大降低。

Description

利用低温核供热反应堆非供暖季发电系统与其工作方法

技术领域

本发明属于低温核供热反应堆非供暖季余热利用技术领域，特别涉及一种利用双循环螺杆机发电技术，永磁驱动，将非供暖季的低温热水或蒸汽的热量回收，并转化为高品质电能的技术。

背景技术

余热余压利用工程是我国《节能中长期发展专项规划》中的十大重点节能工程之一。目前在我国工业的各个领域中存在大量的低温余热资源(250℃以下，低压或常压)，由于缺乏有效的技术手段而没有得到充分利用，传统发电技术的工作参数大多为高参数、大容量，无法利用这部分极为分散但总量巨大的能源。由于低温堆的供热/蒸汽温度级别较低(I型堆三回路供回水温度130/65℃，II型堆蒸汽发生器出口蒸汽温度201.4℃)，除冬季采暖外，在非供暖的其它季节其热能无法得到有效应用。如要停堆，则要有大量繁杂的操作流程和复杂的审批手续。

发明内容

为了解决低温核供热反应堆利用率低，只能冬季(供暖季)运行，而在非供暖季则要停运的问题，本发明通过双循环螺杆膨胀机发电技术对非冬季低温供热堆运行期间的热水或蒸汽进行回收利用，产生高品位电能。

本发明发电系统是这样构成的：

本发明利用低温核供热反应堆非供暖季发电系统，包括核反应供热堆提供的热水源、蒸发器、预热器、储液罐、冷凝器、膨胀机、发电机和冷却塔；所述的发电系统由三组循环回路组成，循环回路一是供热回路，循环回路二是发电及热循环回路，循环回路三是冷却回路。

循环回路一为：热水源的出口通过热水循环泵和逆止阀连接到蒸发器和预热器中的管路一，管路一的出口再通过阀门连接到热水源的回路入口形成循环回路。

循环回路二为：蒸发器和预热器中的管路二的出口通过主汽阀连接螺杆膨胀机的入口，膨胀机带动发电机运转发电，膨胀机的出口通过阀门连接冷凝器中的管路一；冷凝器的管路一的出口连接储液罐，储液罐的出口通过工质泵和逆止阀连接到蒸发器和预热器中的管路二的入口形成循环回路。

循环回路三为：冷凝器中的管路二的出口通过阀门连接到冷却塔的入口，冷却塔的出口通过阀门、冷却水泵与逆止阀连接到冷凝器中的管路二的入口形成循环回路。

循环回路二中，在蒸发器中的管路二的出口与冷凝器的管路一的入口之间，加设了一个旁通管及电磁阀。

螺杆膨胀机上装有转速测量仪，并设定自动预警上下限；膨胀机飞车时控制系统自动打开旁通电磁阀；旁通电磁阀为常开式，当断电时，电磁阀打开使旁通打开。

在上述所有设置有管路一和管路二的设备中，每一设备中的管路一和管路二中的流体的流动方向都是相反的。

满液式蒸发器、预热器、冷凝器均是管壳式的换热设备。

本发明的优点是：适用于具有同类型低温余热热水或蒸汽的领域。适用于各种工作介质。螺杆膨胀动力机是当今国内外唯一能同时适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相湿蒸汽及热水的热动力机，它还适用于低温有机工质。本发明适用于具有同类型低温余热热水或蒸汽的领域。

本发明对工作介质品质要求不高。螺杆膨胀动力机适用于含盐垢的流体，不怕结垢和污染介质，能除垢自洁；未能除去的剩余污垢可以起到减小间隙、减低泄露损失的作用，从而有利于提高机组效率。适合于热源参数大范围波动。螺杆膨胀动力机在热源压力、温度和流量大范围波动情况下，内效率基本不变，能保持机组稳定、安全运行。本发明运行操作简单。螺杆膨胀动力机运行时不暖机、不盘车，直接冲转启动，操作简单，不会造成飞车等生产安全事故，能保持机组稳定、安全运行。本发明结构简单安装容易。发电机组结构简单、占地小、通用性强、可以整机装和移动，合适工业余热的特点和发电利用。维护检修方便，螺杆膨胀动力机零部件少，维修容易，长期无需大修(十年以上)，正常每年一次小修维护，检修简单方便，不需要专业维护技术人员。由于采用永磁涡流柔性传动技术，实现了源动机到负载之间转矩的无接触传递，因为无物理性连接，由连接精度所造成的机械振动和噪音大大降低。

本发明发电机组的动力设备为双螺杆膨胀机，它是一种容积式的全流动力设备，能适应过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相和热水工质。本发明对于开发新型、高效的低温余热发电系统，提高我国能源利用率，节能减排，保护环境，都具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

其中：热水源1、热水循环泵2、蒸发器3、预热器4、工质泵5、储液罐6、冷却水泵7、冷凝器8、主汽阀9、电磁阀10、膨胀机11、发电机12、冷却塔13。

具体实施方式

下面结合图1对本发明做进一步说明。

本发明是一种利用低温核供热反应堆非供暖季发电系统与其工作方法，该系统包括核反应供热堆提供的热水源1、蒸发器3、预热器4、储液罐6、冷凝器8、膨胀机11、发电机12和冷却塔13。所述的发电系统由三组循环回路组成。循环回路一是供热回路，循环回路二是发电及热循环回路，循环回路三是冷却回路。其中，循环回路一为：热水源1的出口通过热水循环泵2和逆止阀连接到蒸发器3和预热器4中的管路一，管路一的出口再通过阀门连接到热水源1的回路入口形成循环回路。循环回路二为：蒸发器3和预热器4中的管路二的出口通过主汽阀9连接螺杆膨胀机11的入口，膨胀机11带动发电机12运转发电，膨胀机11的出口通过阀门连接冷凝器8中的管路一。冷凝器8的管路一的出口连接储液罐6，储液罐6的出口通过工质泵5和逆止阀连接到蒸发器3和预热器4中的管路二的入口形成循环回路。蒸发器3出口蒸汽接近饱和状态。冷凝器8下的储液罐6能够保证冷凝液及时排走，不占有换热空间。在蒸发器3中的管路二的出口与冷凝器8的管路一的入口之间，加设了一个旁通管及电磁阀10，其作用是旁通螺杆膨胀机11，能迅速减少膨胀机11两端压差，为机组的安全运行提供保证。螺杆膨胀机11上装有转速测量仪，并设定自动预警上下限，上限设为1700r/min，下限设为1000r/min。膨胀机11飞车时控制系统自动打开旁通电磁阀10。旁通电磁阀10为常开式，与工质泵5一起接入用电接口，当断电时，电磁阀10打开使旁通打开。循环回路三为：冷凝器8中的管路二的出口通过阀门连接到冷却塔13的入口，冷却塔13的出口通过阀门、冷却水泵7与逆止阀连接到冷凝器8中的管路二的入口形成循环回路。

其中：

在上述所有设置有管路一和管路二的设备中，每一设备中的管路一和管路二中的流体的流动方向都是相反的。

该系统有三个管壳式的换热设备，分别是满液式蒸发器3、预热器4、冷凝器8。其中预热器4能够保证液态工质有足够的显热吸收，而满液式的蒸发器3换热效率高，具有较高的蒸发温度，工质压降较小且蒸发温度均匀。

工质泵5、冷却水泵7、热水循环泵2均采用变频控制，通过调整泵的频率，改变出力。

本发明的工作方法是：

热水源1输出的高温余热热水通过热水循环泵2，依次进入蒸发器3和预热器4，与有机工质进行换热，将热量传递给有机工质；蒸发器3产生的高压气态有机质进入低温发电机组的双螺杆膨胀机11的进口，推动膨胀机11高速旋转，膨胀作功并推动发电机12运转发电。做功之后排出的低压气液两相有机工质进入冷凝器8，在冷却水泵7的作用下，低温冷却水进入冷凝器8、冷却塔13冷却后循环使用。冷凝器8中的有机工质被冷却为低温液态，之后经过工质泵5加压，将液态发电介质送入到预热器4和蒸发器3中，继续吸取余热的热量，蒸发器3蒸发循环使用。冷凝器8由于充分回收膨胀机11的乏汽热量，进入预热器4前的工质温度可以提高6℃以上。冷凝器8排出的较高温冷却水经冷却水泵7送至冷却塔13冷却后循环使用。

本发明结合核供热反应堆的目前只能冬季(供暖季)运行，而在非供暖季则要停运实际运行情况，及低温堆的供热/蒸汽温度级别较低的情况，采用有机工质作为热力循环的工质与低温余热换热，有机工质吸热后产生高压蒸汽，推动双工质膨胀机带动发电机发电。这是常规发电技术不能做到的(常规发电要求热源温度在350℃以上)，从而极大的拓宽了可以回收发电的余热资源范围，为建材、冶金、化工等行业的低温余热资源回收提供了很好的技术手段和设备。同时，这项技术还可以推广到可再生能源发电系统中，(如地热、太阳能和生物质能)为可再生能源发电提供关键技术和设备。在火力发电领域，大型发电机组均采用回热技术，用于提高机组的效率，这一技术也同样可以应用于低温膨胀螺杆发电领域中。

机组采用工业级控制系统，多通道控制方式，可实现机组全天候、无人值守稳定安全运行。同时采用了最先进的PMW逆变器并网技术，具有自动并网，自动下网，故障自动监视功能，实现了对于公共电网零谐波污染。

机组的使用寿命为15～20年，每连续使用一年(8仟小时)应更换工质泵密封件，连续使用两年(1.6万小时)应更换双螺杆膨胀机的密封件。

机组采用特殊的内润滑循环方式，更换发电介质时须同时更换润滑油。

热源进入蒸发器以后，可以通过调节工质泵频率或旁通开度调节螺杆机转速，使其从小到大逐渐提速，防止升速过快造成飞车而致使发电机损坏。

并网前，运行转速控制程序，以保证发电机并网时安全。转速信号取自螺杆出轴测速传感器作为调节参数，采用并联PID调节模式，控制电动调节阀的开度，从而保证螺杆膨胀发电机组按设定的转速稳定运行。

并网后，电机转速随电网频率波动，流体作功对机组的影响表现为功率输出的大小。控制系统采集发电机运行工况参数，以发电机功率输出反馈作为调节参数。采用并联PID调节模式，控制电动调节阀的开度，从而保证机组功率的输出。采用RS-485通讯方式将数据传送到中央管理站，并预留有GPRS远程无线传送功能。便于实现在任何地点的对机组运行状态监测。

Claims (10)

1.利用低温核供热反应堆非供暖季发电系统，包括核反应供热堆提供的热水源(1)、蒸发器(3)、预热器(4)、储液罐(6)、冷凝器(8)、膨胀机(11)、发电机(12)和冷却塔(13)；其特征在于：所述的发电系统由三组循环回路组成，循环回路一是供热回路，循环回路二是发电及热循环回路，循环回路三是冷却回路。

2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：循环回路一为：热水源(1)的出口通过热水循环泵(2)和逆止阀连接到蒸发器(3)和预热器(4)中的管路一，管路一的出口再通过阀门连接到热水源(1)的回路入口形成循环回路。

3.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：循环回路二为：蒸发器(3)和预热器(4)中的管路二的出口通过主汽阀(9)连接螺杆膨胀机(11)的入口，膨胀机(11)带动发电机(12)运转发电，膨胀机(11)的出口通过阀门连接冷凝器(8)中的管路一；冷凝器(8)的管路一的出口连接储液罐(6)，储液罐(6)的出口通过工质泵(5)和逆止阀连接到蒸发器(3)和预热器(4)中的管路二的入口形成循环回路。

4.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：循环回路三为：冷凝器(8)中的管路二的出口通过阀门连接到冷却塔(13)的入口，冷却塔(13)的出口通过阀门、冷却水泵(7)与逆止阀连接到冷凝器(8)中的管路二的入口形成循环回路。

5.根据权利要求3所述的发电系统，其特征在于：循环回路二中，在蒸发器(3)中的管路二的出口与冷凝器(8)的管路一的入口之间，加设了一个旁通管及电磁阀(10)。

6.根据权利要求3所述的发电系统，其特征在于：螺杆膨胀机(11)上装有转速测量仪，并设定自动预警上下限；膨胀机(11)飞车时控制系统自动打开旁通电磁阀(10)；旁通电磁阀(10)为常开式，当断电时，电磁阀(10)打开使旁通打开。

7.根据权利要求1、2或3所述的发电系统，其特征在于：在上述所有设置有管路一和管路二的设备中，每一设备中的管路一和管路二中的流体的流动方向都是相反的。

8.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于：满液式蒸发器(3)、预热器(4)、冷凝器(8)均是管壳式的换热设备。

9.利用低温核供热反应堆非供暖季发电系统的工作方法，其工作过程是：

核反应供热堆提供的热水源(1)输出的高温余热热水通过热水循环泵(2)，依次进入蒸发器(3)和预热器(4)，与有机工质进行换热，将热量传递给有机工质；蒸发器(3)产生的高压气态有机质进入低温发电机组的双螺杆膨胀机(11)的进口，推动膨胀机(11)高速旋转，膨胀作功并推动发电机(12)运转发电。做功之后排出的低压气液两相有机工质进入冷凝器(8)，在冷却水泵(7)的作用下，低温冷却水进入冷凝器(8)、冷却塔(13)冷却后循环使用；冷凝器(8)中的有机工质被冷却为低温液态，之后经过工质泵(5)加压，将液态发电介质送入到预热器(4)和蒸发器(3)中，继续吸取余热的热量，蒸发器(3)蒸发循环使用；冷凝器(8)由于充分回收膨胀机(11)的乏汽热量，使进入预热器(4)前的工质温度提高；冷凝器(8)排出的较高温冷却水经冷却水泵(7)送至冷却塔(13)冷却后循环使用。

10.根据权利要求9所述的工作方法，其特征在于：进入预热器(4)前的工质温度可以提高6℃以上。