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一种适用于脉冲功率反应堆的高效的 蒸汽发生系统

阅读：452发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及聚变反应堆技术领域，具体为一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，包括蒸汽发生器 SG-01、蒸汽发生器SG-02、换热器HX-01，以及连接上述设备的管路；还包括若干开关阀设置与管路上；还包括蒸汽转移系统和热量储存系统，本发明填补了脉冲功率反应堆能量提取，并能生成持续稳定的蒸汽，能够降低未来可控核聚变反应堆等离子体约束要求，能够根据脉冲功率反应堆产热功率的周期运行而调整运行状态，保证蒸汽发生系统出口蒸汽( 饱和蒸汽或过热蒸汽 )以稳定含气率、流量和温度稳定，进而能够推动汽轮机产生稳定功率的电能。，下面是一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，其特征在于：包括蒸汽发生器SG-01、蒸汽发生器SG-02、换热器HX-01，以及连接上述设备的管路；
一回路出口连接蒸汽发生器SG-01一次侧入口，蒸汽发生器SG-01一次侧出口与一回路入口相连，一回路出口与换热器HX-01一次侧入口相连，换热器HX-01一次侧出口与一回路入口相连，蒸汽发生系统入口与蒸汽发生器SG-01二次侧入口相连，蒸汽发生器SG-01二次侧出口与蒸汽发生系统出口相连，蒸汽发生系统入口与蒸汽发生器SG-02二次侧入口相连，蒸汽发生器SG-02二次侧出口与蒸汽发生系统出口相连。
2.如权利要求1所述的一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，其特征在于：还包括开关阀VG-01、开关阀VG-04、开关阀VG-05、开关阀VG-06和开关阀VG-07；
所述的开关阀VG-01设于蒸汽发生系统入口与蒸汽发生器SG-01二次侧入口之间的管路上，所述的开关阀VG-04设于蒸汽发生系统入口与蒸汽发生器SG-02二次侧入口之间的管路上，所述的开关阀VG-05设于一回路出口与蒸汽发生器SG-01一次侧入口之间的管路上，所述的开关阀VG-06设于一回路出口与一回路入口之间的管路上；所述的开关阀VG-07设于一回路出口与换热器HX-01一次侧入口之间的管路上。
3.如权利要求1所述的一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，其特征在于：还包括蒸汽转移系统，所述的蒸汽转移系统包括压力罐TA-01、压力罐TA-02、泵TA-01、泵TA-02；
所述的泵PB-01设于压力罐TA-01出口与换热器HX-01二次侧入口之间的管路上，所述的换热器HX-02二次侧出口与压力罐TA-02入口相连，
所述的泵PB-02设于压力罐TA-02出口与蒸汽发生器SG-02一次侧入口之间的管路上，所述的蒸汽发生器SG-02一次侧出口与压力罐TA-01入口相连。
4.如权利要求3所述的一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，其特征在于：还包括热量储存系统，所述热量储存系统包括开关阀VG-02和开关阀VG-03；
所述的开关阀VG-02设于压力罐TA-01出口与泵PB-01入口之间的管路上，所述的开关阀VG-03设于压力罐TA-02出口与泵PB-02入口之间的管路上。
5.如权利要求1所述的一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，其特征在于：蒸汽发生器中的冷却剂为惰性气体、水或液态金属。
6.如权利要求5所述的一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，其特征在于：所述的惰性气体为氦气。
7.如权利要求5所述的一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，其特征在于：所述的液态金属为液态锂或者液态铅。
8.如权利要求5所述的一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，其特征在于：所述的一回路出口流出的蒸汽为饱和蒸汽或过热蒸汽。
9.如权利要求5所述的一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，其特征在于：所述脉冲功率反应堆为聚变反应堆。

说明书全文

一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统

技术领域

[0001] 本发明属于聚变反应堆技术领域，具体涉及一种适用于聚变堆的高效的蒸汽发生系统。

背景技术

[0002] 蒸汽发生器是聚变堆核电站的重要设备，用于一回路和二回路的热量交换，主要功能是带出一回路的热量，同时将二回路的高压水加热至饱和蒸汽或者过热蒸汽，流动至透平处推动汽轮机进行发电。

[0003] 在未来聚变反应堆核电站有以下特点：

[0004] (1)由于受等离子体约束技术的限制，聚变堆产热功率为脉冲式周期运行；

[0005] (2)一回路冷却剂在蒸汽发生器处温度为脉冲式，温度时高时低；

[0006] 未来聚变堆核电站蒸汽发生器面临的问题：

[0007] (1)若采用常规核电蒸汽发生器，蒸汽发生器出口的蒸汽将时断时续，无法被汽轮机利用进行发电；

[0008] (2)即使未来汽轮机能够利用间断性蒸汽，发电功率也将可能是间断性的，将对电网形成巨大冲击。

[0009] 为了有效解决聚变能利用问题，需要一种满足聚变堆脉冲运行的特点，能够产生持续稳定蒸汽的新型蒸汽发生器系统。

发明内容

[0010] 本发明的目的是提供一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，其能够保证蒸汽发生系统出口蒸汽(饱和蒸汽或过热蒸汽)以稳定含气率、流量和温度稳定，进而能够推动汽轮机产生稳定功率的电能。

[0011] 本发明的技术方案如下：

[0012] 一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，包括蒸汽发生器SG-01、蒸汽发生器SG-02、换热器HX-01，以及连接上述设备的管路；

[0013] 一回路出口连接蒸汽发生器SG-01一次侧入口，蒸汽发生器SG-01一次侧出口与一回路入口相连，一回路出口与换热器HX-01一次侧入口相连，换热器HX-01一次侧出口与一回路入口相连，蒸汽发生系统入口与蒸汽发生器SG-01二次侧入口相连，蒸汽发生器SG-01二次侧出口与蒸汽发生系统出口相连，蒸汽发生系统入口与蒸汽发生器SG-02二次侧入口相连，蒸汽发生器SG-02二次侧出口与蒸汽发生系统出口相连。

[0014] 还包括开关阀VG-01、开关阀VG-04、开关阀VG-05、开关阀VG-06和开关阀VG-07；

[0015] 所述的开关阀VG-01设于蒸汽发生系统入口与蒸汽发生器SG-01二次侧入口之间的管路上，所述的开关阀VG-04设于蒸汽发生系统入口与蒸汽发生器SG-02二次侧入口之间的管路上，所述的开关阀VG-05设于一回路出口与蒸汽发生器SG-01一次侧入口之间的管路上，所述的开关阀VG-06设于一回路出口与一回路入口之间的管路上；所述的开关阀VG-07设于一回路出口与换热器HX-01一次侧入口之间的管路上。

[0016] 还包括蒸汽转移系统，所述的蒸汽转移系统包括压力罐TA-01、压力罐TA-02、泵TA-01、泵TA-02；

[0017] 所述的泵PB-01设于压力罐TA-01出口与换热器HX-01二次侧入口之间的管路上，所述的换热器HX-02二次侧出口与压力罐TA-02入口相连，

[0018] 所述的泵PB-02设于压力罐TA-02出口与蒸汽发生器SG-02一次侧入口之间的管路上，所述的蒸汽发生器SG-02一次侧出口与压力罐TA-01入口相连。

[0019] 还包括热量储存系统，所述热量储存系统包括开关阀VG-02和开关阀VG-03；

[0020] 所述的开关阀VG-02设于压力罐TA-01出口与泵PB-01入口之间的管路上，所述的开关阀VG-03设于压力罐TA-02出口与泵PB-02入口之间的管路上。

[0021] 蒸汽发生器中的冷却剂为惰性气体、水或液态金属。

[0022] 所述的惰性气体为氦气。

[0023] 所述的液态金属为液态锂或者液态铅。

[0024] 所述的一回路出口流出的蒸汽为饱和蒸汽或过热蒸汽。

[0025] 所述脉冲功率反应堆为聚变反应堆。

[0026] 本发明的显著效果如下：

[0027] 本系统能够根据脉冲功率反应堆产热功率的周期运行而调整运行状态，保证蒸汽发生系统出口蒸汽(饱和蒸汽或过热蒸汽)以稳定含气率、流量和温度稳定，进而能够推动汽轮机产生稳定功率的电。同时，该蒸汽发生系统的运行过程，对脉冲功率反应堆一回路进口温度和流量无较大冲击。

[0028] 聚变反应堆产热时，一回路冷却剂出口为高温出口，聚变反应堆产热间隙，一回路冷却剂出口为低温出口，通过设计该系统，操作相关开关阀门，使得聚变反应堆运行时，系统在两个状态间相互切换。

[0029] 脉冲功率反应堆产热时，一回路出口为高温出口，开关阀VG-05和开关阀VG-07开启状态，开关阀VG-06关闭状态；一回路出口部分流体依次经过开关阀VG-05、蒸汽发生器SG-01一次侧流至一回路入口，部分流体依次经过开关阀VG-07，换热器HX-01一次侧，之后流入一回路入口；开关阀VG-01开启状态，开关阀VG-04关闭状态；水从蒸汽发生器系统入口依次经过开关阀VG-01、蒸汽发生器SG-01二次侧后变成蒸汽，之后从蒸汽发生系统出口流出；开关阀VG-01开启状态，开关阀VG-03关闭状态；低温流体从压力罐TA-01一次经过开关阀VG-02、泵PB-01、换热器二次侧后被加热成为高温流体，并流入压力罐TA-02中储存。

[0030] 在脉冲功率反应堆未产热时，一回路出口为低温出口，主蒸汽发生系统有，开关阀VG-05和开关阀VG-07关闭状态，开关阀VG-06开启状态；一回路出口流体经过开关阀VG-06后，直接流入一回路入口；开关阀VG-01关闭状态，开关阀VG-04开启状态；水从蒸汽发生器系统入口依次经过开关阀VG-04、蒸汽发生器SG-02二次侧后变成蒸汽，之后从蒸汽发生系统出口流出；热量储存系统有，开关阀VG-01关闭状态，开关阀VG-03开启状态；低温流体从压力罐TA-01一次经过开关阀VG-03、泵PB-02、蒸汽发生器SG-02被冷却成为低温流体，并流入压力罐TA-01中储存；

[0031] 1)可控核聚变反应堆在脉冲运行时，即可利用该技术发电，极大地缩短了核聚变技术利用的研发时间；

[0032] 2)针对脉冲式热源和功率不稳定热源，该蒸汽发生系统能够产生持续稳定的蒸汽；

[0033] 3)所采用设备均为目前市场技术较为成熟设备，无制造难点；可以产生不同含气率的饱和蒸汽、过热蒸汽等，参数选取自由度大；

[0034] 4)该蒸汽发生系统产生的蒸汽与常规裂变核电站蒸汽发生器基本相同，脉冲功率反应堆电站中，除了蒸汽发生系统外，二回路及其他相应辅助系统均可采用当前成熟的裂变堆二回路设计建造技术和运行经验。附图说明

[0035] 图1为一种适用于脉冲功率反应堆核电站的蒸汽发生系统示意图。

具体实施方式

[0036] 下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

[0037] 如图1所示，本发明提供一种适用于脉冲功率反应堆的高效的蒸汽发生系统，包括主蒸汽发生系统和热量储存系统；

[0038] 主蒸汽发生系统主要用于产生蒸汽；

[0039] 热量储存系统主要用于储存热量；

[0040] 主要蒸汽发生系统包括了蒸汽发生器SG-01，蒸汽发生器SG-02，换热器HX-01；

[0041] 开关阀VG-01，开关阀VG-04，开关阀VG-05，开关阀VG-06和开关阀VG-07；

[0042] 以及连接上述设备的管路。

[0043] 热量储存系统包括了压力罐A-01，压力罐TA-02，泵TA-01，泵TA-02；

[0044] 开关阀VG-02和开关阀VG-03；

[0045] 以及连接上述设备的管路。

[0046] 蒸汽发生器SG-01主要用于当一回路出口为高温冷却剂时，二回路冷却水在蒸汽发生器SG-01处与一回路部分高温冷却剂发生热量交换并产生蒸汽；一回路部分高温冷却剂被冷却到一回路入口所需温度，之后流入一回路入口，同时从蒸汽发生系统入口流入的单相水被加热成为蒸汽(饱和蒸汽或过热蒸汽)，并从蒸汽发生系统出口流出；

[0047] 蒸汽发生器SG-02主要用于当一回路出口为低温冷却剂时，一回路冷却剂不需要被冷却，其冷却剂直接从一回路出口经过开关阀VG-06直接流入一回路入口。为了保证蒸汽发生系统出口的蒸汽稳定，包括含气量、温度和流量。二回路冷却水在蒸汽发生器SG-02处与储存在热量储存系统的热量发生热量交换，热量储存系统中的储存于压力罐TA-02中的流体被冷却，之后流入压力罐TA-01中，以备下次吸热用，同时从蒸汽发生系统入口流入的单相水被加热成为蒸汽(饱和蒸汽或过热蒸汽)从蒸汽发生系统出口流出，保证了反应堆无热功率时蒸汽发生系统出口蒸汽的稳定；

[0048] 换热器HX-01主要用于当一回路出口为高温冷却剂时，将一回路部分热量储存于热量储存系统中。当一回路出口为高温冷却剂时，部分冷却剂流过换热器HX-01处，被冷却到满足一回路入口所需温度，之后流入一回路入口，同时能量储存系统中的冷流体从压力罐TA-01中流过换热器HX-01另一侧，吸收一回路冷却剂热量，并被加热成为高温流体并流入压力罐TA-02中储存，以备反应堆无热功率时，将流经蒸汽发生器SG-02中的单相水加热成为蒸汽；

[0049] 泵PB-01位于压力罐TA-01和换热器HX-01之间，主要用于提供冷流体从压力罐TA-01中流出，经过换热器HX-01后，流入压力罐TA-02中所需的动力；

[0050] 泵PB-02位于压力罐TA-02和蒸汽发生器SG-02之间，主要用于提供高温流体从压力罐TA-02中流出，经过蒸汽发生器SG-02后，流入压力罐TA-01中所需的动力。

[0051] 聚变核电站中，聚变反应堆为脉冲式运行，即聚变反应堆以周期性在有热功率与无热功率间交替运行(例聚变反应堆一个运行周期为2000s，前1000s有热功率，之后有1000s无热功率)。一回路冷却剂采用12MPa高压氦气，氦气冷却剂流量为200kg/s。二回路采用6MPa高压水作为工质，蒸汽发生系统入口为226℃,流量为45kg/s的单相水。压力罐TA-01和压力罐TA-02中所用工质为0.14MPa液态金属钠；压力罐TA-01和压力罐TA-02容积约
850m3，外侧包覆隔热材料；压力罐TA-01储存低温液态金属钠，工作温度为250℃，压力罐TA-02储存高温液态金属钠，工作温度为350℃。当聚变反应堆有热功率时，一回路出口为
500℃高温出口，一回路冷却剂入口稳定在300℃。当聚变反应堆无热功率时，一回路出口和一回路入口均为300℃。

[0052] 当反应堆有热功率时，一回路出口为500℃，200kg/s，12MPa的高温高压氦气，其分为两路：一路以100kg/s经过蒸汽发生器SG-01一次侧，加热二次侧中的来自于蒸汽发生器入口的45kg/s,226℃的单相水，蒸汽发生器SG-01一次侧高温氦气被冷却到300℃后流出并进入一回路入口，蒸汽发生器SG-02二次侧45kg/s,226℃单相水被加热成为275℃饱和蒸汽，并从蒸汽发生系统出口流出；一路以100kg/s经过换热器HX-01一次侧加热二次侧中来源于压力罐TA-01中的250℃低温液态金属钠，换热器HX-01一次侧500℃氦气被冷却到300℃后流出并进入一回路入口，换热器HX-01二次侧的800kg/s，250℃低温液态金属钠被加热为350℃的高温液态金属钠后流入压力罐TA-02中储存；

[0053] 当反应堆无热功率时，一回路出口为300℃，200kg/s，12MPa的氦气，打开开关阀VG-06，并关闭开关阀VG-05和开关阀VG-07，一回路氦气直接从一回路出口经过开关阀VG-06流入一回路入口；关闭开关阀VG-01，打开开关阀VG-04，关闭开关阀VG-02，打开开关阀VG-03，开启泵PB-02，关闭泵PB-01，来自于蒸汽发生系统入口的45kg/s,226℃的水经过开关阀VG-04，流入蒸汽发生器SG-02二次侧，与蒸汽发生器SG-01一次侧中来自于压力罐TA-
02中的350℃，800kg/s的液态金属钠换热，蒸汽发生器SG-02一次侧的单相水被加热成为
275℃的饱和蒸汽从蒸汽发生器出口流出，蒸汽发生器SG-02二次侧中的液态金属钠被冷却至250℃后流入压力罐中储存。

[0054] 当反应堆热功率脉冲运行时，蒸汽发生系统将在上述两个状态间相互切换，实现出口蒸汽稳定的目标。

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