一種基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，包括核能發(fā)電子系統(tǒng)、空氣液化子系統(tǒng)、液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)、蓄冷單元，在用戶負荷需求小于核電系統(tǒng)額定負荷的第一時段，將核能發(fā)電子系統(tǒng)產(chǎn)生的多余電能通過空氣液化過程轉(zhuǎn)化為深冷能儲存于液態(tài)空氣中；在用戶負荷需求大于核電系統(tǒng)額定負荷的第二時段，將空氣液化子系統(tǒng)中儲存的液化空氣的能量轉(zhuǎn)化為電力；蓄冷單元在用戶負荷需求大于核電系統(tǒng)額定負荷的第二時段，將液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)中液態(tài)空氣再氣化時釋放的冷量以顯熱的形式儲存，在用戶負荷需求小于核電系統(tǒng)額定負荷的第一時段，將儲存的冷量用于空氣液化子系統(tǒng)的空氣液化。該系統(tǒng)可大大提高核電系統(tǒng)在用電高峰時段的核反應(yīng)堆熱能的發(fā)電效率和凈出功量，達到消峰填谷的目的，并且具有較高的儲能效率。
【專利說明】-種基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力行業(yè)的大容量(大功率，長時間）電力儲存和管理領(lǐng)域，更具體的， 涉及一種基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 核能發(fā)電的特點是系統(tǒng)投資高但運行費用低，因而單位電量的成本與核電設(shè)備的 年運行小時數(shù)以及平均負荷因子密切相關(guān)。盡管過去長期以來核能發(fā)電都是以基荷為主， 并以此保證核電高負荷、長時間的連續(xù)運行，但是隨著核電裝機容量的不斷提升，局部電網(wǎng) 很可能在用電低谷難以消納它的滿負荷輸出。例如法國近年來的核電裝機容量暫其總裝機 容量的53%，而由核電生產(chǎn)的電量更高達79%。在這種情況下，用電低谷核電產(chǎn)生的多余電 力要么通過電力輸送出口給周邊的國家和用戶，要么就必須有配套的大容量儲能裝置吸收 這部分電量，并在用電高峰時段把這部分儲存的電量釋放出來，以此達到消峰填谷的目的。 當然也可以通過降低核電機組的負荷因子的方式實現(xiàn)用電低谷時段的供需平衡，但是這樣 做不僅會大大提高單位電力的成本，同時變工況運行更會大大降低核電機組的壽命，并且 還會帶來更多的安全隱患。
[0003]為解決核能發(fā)電帶來的調(diào)峰問題，除了傳統(tǒng)的抽水儲能技術(shù)以外一些具有大容量 儲能的新技術(shù)正越來越多地引起人們的關(guān)注，其中包括高溫高壓蒸汽儲存技術(shù)，大規(guī)模儲 氫技術(shù)等。但是這些技術(shù)都不能大大提高核反應(yīng)堆熱能的發(fā)電效率和凈出功量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于以上問題，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，該 系統(tǒng)在用電低谷將多余的電力通過獨特的空氣液化過程轉(zhuǎn)化為深冷能儲存于液態(tài)空氣中， 并且在用電高峰時段將儲存的液化空氣的能量轉(zhuǎn)化為電力，可以大大提高核反應(yīng)堆熱能的 發(fā)電效率和凈出功量。
[0005]為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] 一種基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，包括：
[0007] 核能發(fā)電子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)在用戶負荷需求小于核電系統(tǒng)額定負荷的第一時段， 按照核電系統(tǒng)的額定負荷要求滿負荷運行，其產(chǎn)生的多余電能用來驅(qū)動空氣液化子系統(tǒng)生 產(chǎn)液態(tài)空氣；
[0008]空氣液化子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)在用戶負荷需求小于核電系統(tǒng)額定負荷的第一時段， 將核能發(fā)電子系統(tǒng)產(chǎn)生的多余電能通過空氣液化過程轉(zhuǎn)化為深冷能儲存于液態(tài)空氣中；
[0009] 液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)在用戶負荷需求大于核電系統(tǒng)額定負荷的第二時 段，將空氣液化子系統(tǒng)中儲存的液化空氣的能量轉(zhuǎn)化為電力；
[0010] 蓄冷單元，其內(nèi)有換熱流體，所述換熱流體在用戶負荷需求大于核電系統(tǒng)額定負 荷的第二時段，將液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)中液態(tài)空氣再氣化時釋放的冷量以顯熱的形式儲 存，在用戶負荷需求小于核電系統(tǒng)額定負荷的第一時段，將儲存的冷量用于空氣液化子系 統(tǒng)的空氣液化。
[0011] 作為優(yōu)選，所述核能發(fā)電子系統(tǒng)和液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)之間通過管道連接，在用 戶負荷需求大于核電系統(tǒng)額定負荷的第二時段，所述核能發(fā)電子系統(tǒng)的核電機組反應(yīng)堆產(chǎn) 生的熱量隨著介質(zhì)通過管道流向液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)，直接用于加熱高壓空氣。
[0012] 作為優(yōu)選，所述核能發(fā)電子系統(tǒng)的核電機組反應(yīng)堆連接有兩條管道，分別為用于 將蒸汽輸出的出氣管以及用于將蒸汽返回的第一回流管，所述出氣管和第一回流管的另一 端均和蒸汽透平相連，蒸汽透平和第一發(fā)電機相連，所述第一回流管上依次連接有冷卻塔 和第一泵。
[0013] 作為優(yōu)選，所述空氣液化子系統(tǒng)包括干燥器，所述干燥器與壓縮機組、第六換熱 器、低溫透平、液態(tài)空氣罐依次相連，所述第六換熱器與所述蓄冷單元進行熱量交換，并且 所述第六換熱器和液態(tài)空氣罐之間還連接有第二回流管，被干燥器干燥過的空氣依次經(jīng)過 壓縮機組、第六換熱器、低溫透平的作用后，被生成液態(tài)部分和氣態(tài)部分，液態(tài)部分流入液 態(tài)空氣罐，氣態(tài)部分通過第二回流管流回第六換熱器。
[0014] 作為優(yōu)選，所述壓縮機組包括第一壓縮機和第二壓縮機。
[0015] 作為優(yōu)選，所述第一壓縮機和第二壓縮機之間連接有第五換熱器，所述第六換熱 器和第五換熱器之間還連接有第三回流管，所述氣態(tài)部分還通過第三回流管流回第五換熱 器。
[0016] 作為優(yōu)選，所述液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)包括低溫泵，所述低溫泵的入口和液態(tài)空氣 罐的出口相連，所述低溫泵的出口依次與第二換熱器、第三換熱器、空氣透平組、第二發(fā)電 機相連，所述第二換熱器還與所述蓄冷單元進行熱量交換，所述空氣透平組與第三換熱器 之間還連接有第四回流管，所述第四回流管用于將空氣透平組產(chǎn)生的尾氣送回第三換熱器 中回熱。
[0017] 作為優(yōu)選，所述空氣透平組包括兩個或兩個以上的空氣透平。
[0018] 作為優(yōu)選，所述第三換熱器的出口、各個空氣透平的入口分別和第四換熱器相連； 所述蒸汽透平的入口處和第一水泵的入口處分別安裝有一個三通閥，所述兩個三通閥通過 兩個管道連通第四換熱器；在用戶負荷需求大于核電系統(tǒng)額定負荷的第二時段，核電機組 反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能隨著介質(zhì)通過三通閥流向第四換熱器，用于驅(qū)動空氣透平組發(fā)電。
[0019] 作為優(yōu)選，所述第三換熱器與干燥器之間還連接有第五回流管，所述第五回流管 用于將回熱后的尾氣送回干燥器中。
[0020] 本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明通過提供一種基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，該系 統(tǒng)采用深冷儲能技術(shù)，在用電低谷時將多余的電力通過獨特的空氣液化過程轉(zhuǎn)化為深冷能 儲存于液態(tài)空氣中，并且在用電高峰時段將儲存的液化空氣的能量轉(zhuǎn)化為電力，由于深冷 儲能技術(shù)的特點是液態(tài)空氣既是儲能的載體，又是用電高峰時段發(fā)電的循環(huán)工質(zhì)。由于空 氣的臨界點要遠遠低于水蒸氣，因而以其作為循環(huán)工質(zhì)在用電高峰時段可以大大提高核反 應(yīng)堆熱能的發(fā)電效率和凈出功量。由于本系統(tǒng)在液化空氣轉(zhuǎn)化為電力的過程中核電機組反 應(yīng)堆的熱量不是用來驅(qū)動蒸汽循環(huán)發(fā)電，而是直接用于加熱高壓空氣以提高其輸出功率。 在這個釋能過程中，高壓空氣透平機組的出功量約是相同條件下蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的3倍，從 而大大提高了機組在用電高峰時段的凈輸出功率。由于儲能(空氣液化)和釋能過程中熱量 的轉(zhuǎn)化和傳遞比較合理且有效能的損失較小，系統(tǒng)整體的儲能效率可以達到70%以上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明【具體實施方式】提供的基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明【具體實施方式】提供的空氣作為換熱工質(zhì)在不同壓力下的定壓比熱 容與工作溫度的關(guān)系圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明【具體實施方式】提供的一些常用的制冷劑在常壓條件下定壓比熱容 與工作溫度的關(guān)系圖；
[0024] 圖4a是本發(fā)明【具體實施方式】提供的某給定工況下儲冷過程的換熱負荷曲線圖；
[0025]圖4b是本發(fā)明【具體實施方式】提供的某給定工況下冷回收過程的換熱負荷曲線 圖。
[0026]其中：
[0027] 10:核能發(fā)電子系統(tǒng)；20:空氣液化子系統(tǒng)；30:液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)；40:蓄冷單 元；
[0028] 101:核電機組反應(yīng)堆；102:第一泵；103:出氣管；104:第一三通閥；105:出氣支 管；106:蒸氣透平；107:第一發(fā)電機；108:第一回流管；109:冷卻塔；110:第二三通閥； 111 :回流支管；
[0029] 1011:第一換熱器；
[0030] 201 :壓縮機組；202:干燥器；203:第三回流管；204:第六換熱器；205:第二回流 管；206:低溫透平；207:液態(tài)空氣罐；
[0031] 2011:第一壓縮機；2012:第五換熱器；2013:第二壓縮機；
[0032] 2021:空氣入口；2022:空氣出口；
[0033] 301:第四換熱器；302:空氣透平組；303:第二發(fā)電機；304:第四回流管；305:第 三換熱器；306 :第五回流管；307 :第二換熱器；308 :低溫泵；
[0034] 3021:空氣透平。

【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0036] 如圖1所示，本發(fā)明提出的集成深冷技術(shù)的核電調(diào)峰系統(tǒng)主要包括三個子系統(tǒng)， 分別為核能發(fā)電子系統(tǒng)10,空氣液化子系統(tǒng)20和液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)30。
[0037] 核能發(fā)電子系統(tǒng)10在用戶負荷需求小于核電系統(tǒng)額定負荷的第一時段，按照核 電系統(tǒng)的額定負荷要求滿負荷運行，其產(chǎn)生的多余電能用來驅(qū)動空氣液化子系統(tǒng)20生產(chǎn) 液態(tài)空氣。
[0038] 空氣液化子系統(tǒng)20在用戶負荷需求小于核電系統(tǒng)額定負荷的第一時段，將核能 發(fā)電子系統(tǒng)10產(chǎn)生的多余電能通過空氣液化過程轉(zhuǎn)化為深冷能儲存于液態(tài)空氣中。
[0039] 液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)30在用戶負荷需求大于核電系統(tǒng)額定負荷的第二時段，將 空氣液化子系統(tǒng)20中儲存的液化空氣的能量轉(zhuǎn)化為電力。
[0040] 蓄冷單元40內(nèi)有換熱流體，所述換熱流體在用戶負荷需求大于核電系統(tǒng)額定負 荷的第二時段，將液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)30中液態(tài)空氣再氣化時釋放的冷量以顯熱的形式 儲存，在用戶負荷需求小于核電系統(tǒng)額定負荷的第一時段，將儲存的冷量用于空氣液化子 系統(tǒng)20的空氣液化。
[0041] 作為一種優(yōu)選方案，所述核能發(fā)電子系統(tǒng)10和液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)30之間通過 管道連接，在用戶負荷需求大于核電系統(tǒng)額定負荷的第二時段，所述核能發(fā)電子系統(tǒng)10的 核電機組反應(yīng)堆101產(chǎn)生的熱量不是用來驅(qū)動蒸汽循環(huán)發(fā)電，而是直接通過管道流向液態(tài) 空氣釋能子系統(tǒng)30,直接用于加熱高壓空氣以提高其輸出功率。在這個釋能過程中，高壓空 氣透平機組的出功量約是相同條件下蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的3倍，從而大大提高了空氣透平機組 在用電高峰時段的凈輸出功率。由于儲能(空氣液化)和釋能過程中熱量的轉(zhuǎn)化和傳遞比較 合理且有效能的損失較小，系統(tǒng)整體的儲能效率可以達到70%以上。
[0042] 整個集成系統(tǒng)根據(jù)用戶的具體負荷要求有以下三種運行模式：
[0043] ( 1)儲能模式：在用電低谷時段，即用戶的負荷需求小于核電系統(tǒng)的額定負荷，在 這種情況下集成系統(tǒng)以儲能模式運行。在儲能模式中核能發(fā)電子系統(tǒng)10按照核電系統(tǒng)的 額定負荷要求滿負荷運行，其產(chǎn)生的多余電能驅(qū)動空氣液化子系統(tǒng)20生產(chǎn)液態(tài)空氣，即將 多余的電能以液態(tài)空氣的冷能的方式儲存起來。
[0044] (2)釋能模式：在用電高峰時段，即用戶的負荷需求大于核電系統(tǒng)的額定負荷，此 時集成系統(tǒng)以釋能模式運行。在這個過程中，空氣液化子系統(tǒng)20停止工作，而液態(tài)空氣釋 能子系30被開啟用于生產(chǎn)更多的電能。作為優(yōu)選方案，在這個過程中核能發(fā)電子系統(tǒng)10 的核電機組反應(yīng)堆101產(chǎn)生的熱能不被用來直接帶動蒸汽輪機系統(tǒng)發(fā)電，而是用于液態(tài)空 氣釋能子系統(tǒng)30的高壓空氣多級膨脹過程中的過熱和級間再熱，亦即以空氣為工質(zhì)的直 接膨脹循環(huán)代替了以水蒸氣為工質(zhì)的蒸汽循環(huán)，因此過程的熱功轉(zhuǎn)化效率大大提高。
[0045] (3)-般模式：在平均負荷時段，即用戶的負荷需求和核電機組的額定負荷接近， 此時集成系統(tǒng)按照一般模式運行。在此情況下空氣液化子系統(tǒng)20和液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng) 30均處于關(guān)閉狀態(tài)，而核能發(fā)電子系統(tǒng)10的核電機組反應(yīng)堆101產(chǎn)生的熱量則按照傳統(tǒng)的 模式驅(qū)動蒸汽輪機系統(tǒng)發(fā)電。在此過程中儲存在低溫罐中的液態(tài)空氣和蓄冷單元中的冷量 會不可避免地向環(huán)境散熱(冷)，采取一定的措施減小其與環(huán)境的熱交換十分必要。
[0046] 基于以上三種運行模式，集成系統(tǒng)可以根據(jù)用戶負荷的需求產(chǎn)生不同負荷的凈輸 出電力，但是另一方面核電機組反應(yīng)堆101中的堆心和一回路卻一直保持滿負荷穩(wěn)定運 行，這樣就解決了核能發(fā)電連續(xù)穩(wěn)定運行的自身要求與消峰填谷的功能要求之間的矛盾， 實現(xiàn)和核能電發(fā)中的調(diào)峰技術(shù)。
[0047] 具體的，所述核能發(fā)電子系統(tǒng)10包括核電機組反應(yīng)堆101，核電機組反應(yīng)堆101內(nèi) 設(shè)置有第一換熱器1011，第一換熱器1011連接有兩條管道，分別為用于將蒸汽輸出的出氣 管103以及用于將蒸汽返回的第一回流管108,所述出氣管103和第一回流管108的另一端 均和蒸汽透平106相連，蒸汽透平106和第一發(fā)電機107相連，所述第一回流管108上依次 連接有冷卻塔109和第一泵102。當整個集成系統(tǒng)工作在儲能模式和一般模式時，核電機組 反應(yīng)堆101產(chǎn)生的熱量通過第一換熱器1011傳遞給出氣管103中的水蒸氣使得水蒸氣變 成高壓水蒸氣，高壓水蒸氣沿著出氣管103流向蒸汽透平106,驅(qū)動蒸汽透平106進而促進 第一發(fā)電機107發(fā)電。從蒸汽透平106流出的水蒸氣沿著第一回流管108依次流經(jīng)冷卻塔 109和第一泵102,最終流回第一換熱器1011進行熱量交換，并往復(fù)進行以上過程。
[0048] 所述空氣液化子系統(tǒng)20包括干燥器202,干燥器202上分別連接有空氣入口 2021 和空氣出口 2022,所述干燥器202與壓縮機組201、第六換熱器204、低溫透平206、液態(tài)空 氣罐207依次相連。所述第六換熱器204可以與所述蓄冷單元40進行熱量交換，并且所述 第六換熱器204和液態(tài)空氣罐207之間還連接有第二回流管205。
[0049] 作為一種優(yōu)選方案，所述壓縮機組201包括第一壓縮機2011和第二壓縮機2013， 所述第一壓縮機2011和第二壓縮機2013之間連接有第五換熱器2012,所述第六換熱器 204和第五換熱器2012之間還連接有第三回流管203。
[0050] 在用電低谷時段，即當用戶的負荷需求小于核電系統(tǒng)的額定負荷時，整個系統(tǒng)以 儲能模式的方式運行。在這種情況下，核能發(fā)電子系統(tǒng)10以常規(guī)模式運行，即二回路中的 高壓水蒸氣被用于驅(qū)動蒸汽輪機系統(tǒng)發(fā)電，而與此同時其生產(chǎn)的多余的電量被空氣液化子 系統(tǒng)20消耗并將其以液態(tài)空氣深冷能的形式儲存起來。在空氣液化子系統(tǒng)20工作時，空氣 由空氣入口 2021進入干燥器202,經(jīng)過干燥器202除濕的大氣中的空氣流和回流氣體混合 后被壓縮機組201壓縮至工作壓力。作為一種優(yōu)選過程，這個壓縮過程采用有第一壓縮機 2011和第二壓縮機2013組成的多級壓縮過程，并且級間采用第五換熱器2012實現(xiàn)級間冷 卻的過程，以減小壓縮過程的功耗。之后高壓空氣流被送入第六換熱器204降溫至一定溫 度后，高壓低溫的空氣經(jīng)過低溫透平206實現(xiàn)一個近似等熵的膨脹過程。膨脹后的產(chǎn)物中 的液態(tài)部分即為最終的液化空氣，液態(tài)部分可流入液態(tài)空氣罐207,而氣態(tài)部分作為回流氣 體通過第二回流管205被送入第六換熱器204中，以提供主流高壓空氣所需要的冷量。之 后從第六換熱器204中通過第三回流管203被送回第五換熱器2012進行熱交換，從第五換 熱器2012流出后作為回流氣體和大氣中的空氣流混合。值得指出的是，回流氣體所包含的 冷量并不能滿足第六換熱器204的需求，其余部分的冷量要通過蓄冷單元40,即儲存在換 熱流體中的顯熱(冷）來提供。值得指出的是，低溫空氣在低溫透平的膨脹過程不僅可以生 產(chǎn)液態(tài)空氣，而且同時會產(chǎn)生部分機械能來驅(qū)動壓縮機，以減小壓縮機組的能耗。
[0051] 所述液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)30包括低溫泵308,所述低溫泵308的入口和液態(tài)空氣 罐207的出口相連，所述低溫泵308的出口依次與第二換熱器307、第三換熱器305、空氣透 平組302、第二發(fā)電機303相連，所述第二換熱器307還可以與所述蓄冷單元40進行熱量交 換，蓄冷單元40使用低溫制冷劑例如丙烷和乙醇等將高壓液態(tài)空氣再氣化過程中釋放的 冷高效吸收并儲存，并將儲存的冷量用于空氣的液化過程。以此減小空氣液化的能耗，提高 系統(tǒng)的儲能效率。所述空氣透平組302與第三換熱器305之間還連接有第四回流管304,所 述第四回流管304用于將空氣透平組302產(chǎn)生的尾氣送回第三換熱器305中，膨脹后的尾 氣被用于給進入空氣透平組前的高壓空氣預(yù)熱。
[0052] 作為一種優(yōu)選方案，所述第三換熱器305與干燥器202之間還連接有第五回流管 306,所述第五回流管306用于將回熱后的尾氣送回干燥器202中。
[0053] 作為一種優(yōu)選方案，所述空氣透平組302包括兩個或兩個以上的空氣透平3021， 于本實施例中，空氣透平3021的個數(shù)為4。
[0054] 作為一種優(yōu)選方案，所述第三換熱器305的出口、各個空氣透平3021的入口分別 和第四換熱器301相連。所述蒸汽透平106的入口處安裝有一個第一三通閥104,第一水泵 110的入口處安裝有一個第二三通閥110,第一三通閥104通過出氣支管105連通第四換熱 器301，第二三通閥110通過回流支管111連通第四換熱器301，于是，核電機組反應(yīng)堆101 后端具有兩支回路。在用戶的負荷需求大于核電系統(tǒng)的額定負荷時段，核電機組反應(yīng)堆101 產(chǎn)生的熱能可以通過第一三通閥104流向第四換熱器301，用于驅(qū)動空氣透平組302發(fā)電。
[0055] 在用電高峰時段，即當用戶的負荷需求大于核電系統(tǒng)的額定負荷時，集成系統(tǒng)將 以釋能模式的方式運行。在這個過程中空氣液化子系統(tǒng)20處于關(guān)機狀態(tài)，而空氣液化子系 統(tǒng)20儲存的液態(tài)空氣通過液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)30生產(chǎn)電能以滿足用戶的需求。在這個過 程中，液態(tài)空氣罐207中的液態(tài)空氣首先被低溫泵308加壓至工作壓力（臨界壓力以上)，而 后高壓低溫的空氣流進過第二換熱器307預(yù)熱至室溫，同時其釋放的冷量被以換熱流體的 顯熱的形式存儲于蓄冷單元40中，以備在空氣液化子系統(tǒng)工作時提供冷量。高壓室溫的空 氣而后通過第三換熱器305與空氣透平組302的尾氣進行熱交換。與此同時，作為優(yōu)選，核 能發(fā)電子系統(tǒng)10的第一三通閥104和第二三通閥110被調(diào)節(jié)到連通第四換熱器301的位 置，并在第四換熱器301中對高壓空氣進行過熱和級間再熱過程，使高壓空氣依次通過四 個空氣透平3021膨脹做功，并推動第二發(fā)電機303發(fā)電。空氣透平組302產(chǎn)生的尾氣首先 被用來在第三換熱器305中回熱，而后被送入干燥器202中實現(xiàn)干燥劑的再生。
[0056] 在整個集成系統(tǒng)的工作過程中，蓄冷單元和冷量回收過程發(fā)揮著重要的作用。在 空氣液化過程和液態(tài)空氣釋能過程中，空氣的熱交換過程都是在極高的工作壓力下進行 的，即為超臨界換熱過程。圖2給出了空氣在不同壓力條件下溫度和定壓比熱容的關(guān)系，可 見當工作壓力非常高時，空氣的定壓比熱容幾乎不隨溫度變化，亦即空氣在高壓條件下的 換熱過程更接近于顯熱換熱過程。正因如此，本發(fā)明中提出以低溫制冷劑顯熱儲熱的方式 回收和再利用低溫冷量，即如圖1中所示的雙罐式結(jié)構(gòu)單元，在這個儲冷和冷量再利用的 過程中，制冷劑本身既是換熱流體，又是蓄冷載體。圖3給出了常用制冷劑在不同溫度條件 下定壓比熱容隨溫度的變化。由于空氣液化及液態(tài)空氣釋能過程中空氣超臨界換熱的溫度 范圍很寬，本發(fā)明中提出采用兩種制冷劑及兩組雙罐式儲冷單元組合的方式回收和儲存冷 量，而本發(fā)明中的制冷劑選擇丙烷和甲醇。采用雙罐式結(jié)構(gòu)的蓄冷方式，換熱流體的流量容 易控制，在與不同壓力的空氣熱交換時均能達到很好的效果。
[0057] 本實施例中以一個凈輸出功為250MW的壓水堆核電系統(tǒng)為例，假定集成系統(tǒng)以天 為單位周期運行，且每天的用電高峰時段持續(xù)1小時，用電低谷時段持續(xù)8小時。在這樣的 系統(tǒng)和運行模式下，空氣液化單元的液化能力為每秒生產(chǎn)150千克液態(tài)空氣，即540噸每小 時，這樣規(guī)模的液化設(shè)備和系統(tǒng)在液化天然氣行業(yè)十分普遍。另外本發(fā)明中的空氣液化子 系統(tǒng)由于采用了冷量儲存和回收單元本身所需的機械制冷量大大降低，且傳熱過程中的火 用損失(傳熱溫差引起）也極小，如圖4所示。
[0058] 系統(tǒng)運行時蓄冷流體的質(zhì)量流量與液態(tài)空氣的質(zhì)量流量相仿，其中丙烷的質(zhì)量流 量為液態(tài)空氣的I. 1倍，甲醇的質(zhì)量流量為液態(tài)空氣的〇. 6倍，這樣蓄冷流體流量使得蓄冷 的密度大且蓄冷單元可以做到結(jié)構(gòu)緊湊。表一為主要部件和過程的性能，其中列舉了集成 系統(tǒng)運行時的熱量、功量以及火用量的轉(zhuǎn)換和損失。
[0059] 從表一可以看出系統(tǒng)在儲能模式的情況下空氣液化子系統(tǒng)的功耗為76. 74MW，約 占核電機組總出功的三分之一，而且液化過程中火用的損失主要集中在空氣的壓縮過程。 在系統(tǒng)以液態(tài)空氣釋能模式運行時，系統(tǒng)的凈出功量可以達到687. 51MW，約為核電機組凈 出功的2. 7倍，從而大大提高了系統(tǒng)的調(diào)峰能力。在釋能模式下系統(tǒng)的火用損失主要集中 在第四換熱器，即高壓空氣的過熱和再熱過程，這是由二回路的水蒸氣發(fā)生相變引起的。系 統(tǒng)在整個運行過程中的儲能效率達71. 26%。
[0060]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，其特征在于，包括： 核能發(fā)電子系統(tǒng)（10)，該子系統(tǒng)在用戶負荷需求小于核電系統(tǒng)額定負荷的第一時段， 按照核電系統(tǒng)的額定負荷要求滿負荷運行，其產(chǎn)生的多余電能用來驅(qū)動空氣液化子系統(tǒng) (20)生產(chǎn)液態(tài)空氣； 空氣液化子系統(tǒng)（20)，該子系統(tǒng)在用戶負荷需求小于核電系統(tǒng)額定負荷的第一時段， 將核能發(fā)電子系統(tǒng)（10)產(chǎn)生的多余電能通過空氣液化過程轉(zhuǎn)化為深冷能儲存于液態(tài)空氣 中； 液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)（30)，該子系統(tǒng)在用戶負荷需求大于核電系統(tǒng)額定負荷的第二時 段，將空氣液化子系統(tǒng)（20)中儲存的液化空氣的能量轉(zhuǎn)化為電力； 蓄冷單元（40)，其內(nèi)有換熱流體，所述換熱流體在用戶負荷需求大于核電系統(tǒng)額定負 荷的第二時段，將液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)（30)中液態(tài)空氣再氣化時釋放的冷量以顯熱的形式 儲存，在用戶負荷需求小于核電系統(tǒng)額定負荷的第一時段，將儲存的冷量用于空氣液化子 系統(tǒng)（20)的空氣液化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，其特征在于，所述核能發(fā)電 子系統(tǒng)（10)和液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)（30)之間通過管道連接，在用戶負荷需求大于核電系 統(tǒng)額定負荷的第二時段，所述核能發(fā)電子系統(tǒng)（10)的核電機組反應(yīng)堆（101)產(chǎn)生的熱量隨 著介質(zhì)通過管道流向液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)（30)，直接用于加熱高壓空氣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，其特征在于，所述核能發(fā)電 子系統(tǒng)（10)的核電機組反應(yīng)堆（101)連接有兩條管道，分別為用于將蒸汽輸出的出氣管 (103)以及用于將蒸汽返回的第一回流管（108)，所述出氣管（103)和第一回流管（108)的 另一端均和蒸汽透平（106)相連，蒸汽透平（106)和第一發(fā)電機（107)相連，所述第一回流 管（108)上依次連接有冷卻塔（109)和第一泵（102)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣液化 子系統(tǒng)（20)包括干燥器（202)，所述干燥器（202)與壓縮機組（201)、第六換熱器（204)、 低溫透平（206)、液態(tài)空氣罐（207)依次相連，所述第六換熱器（204)與所述蓄冷單元（40) 進行熱量交換，并且所述第六換熱器（204)和液態(tài)空氣罐（207)之間還連接有第二回流管 (205)，被干燥器干燥過的空氣依次經(jīng)過壓縮機組、第六換熱器、低溫透平的作用后，被生成 液態(tài)部分和氣態(tài)部分，液態(tài)部分流入液態(tài)空氣罐，氣態(tài)部分通過第二回流管流回第六換熱 器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮機組 (201)包括第一壓縮機（2011)和第二壓縮機（2013)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，其特征在于，所述第一壓縮 機（2011)和第二壓縮機（2013)之間連接有第五換熱器（2012)，所述第六換熱器（204)和第 五換熱器（2012)之間還連接有第三回流管（203)，所述氣態(tài)部分還通過第三回流管（203) 流回第五換熱器（2012)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，其特征在于，所述液態(tài)空氣 釋能子系統(tǒng)（30)包括低溫泵（308)，所述低溫泵（308)的入口和液態(tài)空氣罐（207)的出口 相連，所述低溫泵（308)的出口依次與第二換熱器（307)、第三換熱器（305)、空氣透平組 (302)、第二發(fā)電機（303)相連，所述第二換熱器（307)還與所述蓄冷單元（40)進行熱量交 換，所述空氣透平組（302)與第三換熱器（305)之間還連接有第四回流管（304)，所述第四 回流管（304)用于將空氣透平組（302)產(chǎn)生的尾氣送回第三換熱器（305)中回熱。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣透平 組（302)包括兩個或兩個以上的空氣透平（3021)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，其特征在于，所述第三換熱 器（305)的出口、各個空氣透平（3021)的入口分別和第四換熱器（301)相連；所述蒸汽透平 (106)的入口處和第一水泵（110)的入口處分別安裝有一個三通閥，所述兩個三通閥通過兩 個管道連通第四換熱器（301);在用戶負荷需求大于核電系統(tǒng)額定負荷的第二時段，核電機 組反應(yīng)堆（101)產(chǎn)生的熱能隨著介質(zhì)通過三通閥流向第四換熱器（301)，用于驅(qū)動空氣透 平組（302)發(fā)電。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，其特征在于，所述第三換熱 器（305)與干燥器（202)之間還連接有第五回流管（306)，所述第五回流管（306)用于將回 熱后的尾氣送回干燥器（202)中。
【文檔編號】F01K25/08GK104279012SQ201310279616
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月4日
【發(fā)明者】丁玉龍, 李永亮, 金翼, 李大成, 冷光輝, 葉鋒, 孫澤, 曹惠, 譙耕, 李傳 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所