一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统

1.本发明属于新型多用途能量转换系统设计领域，具体涉及一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统。


背景技术：

2.氟盐冷却高温堆具有高温运行、固有安全、结构紧凑等特点，可以达到700℃高温，适合用于高温发电及高温工艺。超临界二氧化碳发电系统作为新型能量转换系统具有效率高，适应性好，结构紧凑等特点，可以耦合氟盐冷却高温堆组成高效发电系统。固体氧化物电解池高温制氢系统可以实现高效、环保、绿色制氢，是目前效率最高，最有希望大规模应用的制氢方式。
3.但目前针对上述三者的研究相对独立，而且固体氧化物制氢需要700℃高温热源和高温气体，在平常工业系统中难以达到这种条件，而氟盐堆温度可达700℃，二者十分契合；另外小型氟盐冷却高温堆耦合超临界二氧化碳发电系统的变负荷需要堆侧的流量和温度调控，不利于堆侧的安全稳定运行。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统，该系统以氟盐冷却高温堆为热源，同时耦合超临界二氧化碳发电系统与固体氧化物电解池制氢系统；固体氧化物电解池制氢系统中利用高温氟盐为电堆保温以及加热水和氮气，同时利用电堆高温排气预热水和氮气；超临界二氧化碳发电系统中有效利用中温排气预热二氧化碳提高系统发电效率；另外，通过分流阀开度调控发电量和制氢量比例，可以实现更安全稳定的发电系统变负荷控制。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统，包括小型氟盐冷却高温堆、超临界二氧化碳发电系统和固体氧化物电解池制氢系统；其中小型氟盐冷却高温堆中熔融盐换热器2的高温氟盐用于加热制氢所需的高温气体并为电堆保温，同时也用于加热发电所需的高温高压超临界二氧化碳，通过分流阀14控制发电量与制氢量的比例，使得发电系统变工况运行时不需要堆侧控制；固体氧化物电解池制氢系统出口气体的余热先用于预热进入电堆的气体，排气用于超临界二氧化碳的预热，充分利用不同品味的热量，提高系统整体效率；
7.所述小型氟盐冷却高温堆包括小型氟盐冷却高温堆堆芯1、熔融盐换热器2和分流阀14；
8.所述固体氧化物电解池制氢系统包括低温气体预热器4、高温气体预热器5、电堆6、预冷器9和氢气容器13；
9.所述超临界二氧化碳发电系统包括预冷器9、主压缩机10、再压缩机11、低温回热器8、高温回热器7、熔盐—co2换热器3和透平12；
10.所述小型氟盐冷却高温堆堆芯1工质入口与熔融盐换热器2热侧工质出口相连通，小型氟盐冷却高温堆堆芯1工质出口与熔融盐换热器2热侧工质入口相连通；熔融盐换热器2冷侧工质入口同时与熔盐—co2换热器3热侧工质出口、高温气体预热器5热侧工质出口和电堆6相连，熔融盐换热器2冷侧工质出口通过分流阀14同时与熔盐—co2换热器3热侧工质入口、高温气体预热器5热侧工质入口和电堆6相连；
11.低温气体预热器4冷侧出口与高温气体预热器5冷侧入口相连，高温气体预热器5氮气侧出口与电堆6阴极入口相连，水蒸气侧出口与电堆6阳极入口相连，电堆6阳极出口和阴极出口与低温气体预热器4热侧工质入口相连，低温气体预热器4氢气侧出口与低温回热器8氢气侧入口相连，低温回热器8氢气侧出口与预冷器9氢气侧入口相连，预冷器9氢气侧出口与氢气容器13相连；
12.高温回热器7热侧工质入口与透平12出口相连，高温回热器7热侧工质出口与低温回热器8热侧工质入口相连，高温回热器7冷侧工质入口同时与低温回热器8冷侧工质出口和再压缩机11出口相连，高温回热器7冷侧工质出口与熔盐—co2换热器3冷侧工质入口相连，熔盐—co2换热器3冷侧工质出口与透平12入口相连；
13.低温回热器8冷侧工质入口与主压缩机10出口相连，低温回热器8热侧工质出口同时与预冷器9入口和再压缩机11入口相连，预冷器9出口与主压缩机10入口相连。
14.所述的一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统，氮气和水分别通入所述低温气体预热器4冷侧入口经电堆6高温排气加热，再进入高温气体预热器5经热侧氟盐加热为高温氮气和水蒸气，分别通入电堆6阴极和阳极，经电解制氢后电堆6阳极出口为高温氢气，阴极出口为高温氮气和氧气混合物，高温气体再分别通入低温气体预热器4热侧利用余热加热电堆6入口气体，低温气体预热器4出口的氮气和氧气混合物直接排放，出口的氢气通入低温回热器8预热二氧化碳，再进入预冷器9冷却后进入氢气容器13储存。
15.所述的一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统，高温flibe从小型氟盐冷却高温堆堆芯1出口进入熔融盐换热器2热侧加热低温flinak，低温flibe从熔融盐换热器2冷侧出口进入小型氟盐冷却高温堆堆芯1循环；经加热的高温flinak从熔融盐换热器2冷侧出口进入分流阀14，通过调整分流阀14开度改变进入超临界二氧化碳发电系统和固体氧化物电解池制氢系统的高温flinak的流量，配合固体氧化物电解池制氢系统中水和氮气流量的变化实现对制氢量的控制，配合超临界二氧化碳发电系统中二氧化碳流量的变化实现对发电量的控制，不需要堆芯侧的控制。
16.所述的一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统，超临界二氧化碳在主压缩机10中升压，依次在低温回热器8、高温回热器7、熔盐—co2换热器3中吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入透平12膨胀做功，透平12排气依次在高温回热器7、低温回热器8中放热后分流，一股经再压缩机11升压后汇入高温回热器7冷侧工质入口，另一股在预冷器9中冷却后进入主压缩机10，完成闭合循环。
17.所述的一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统，所述熔融盐换热器2冷侧出口温度为700℃，冷侧入口温度为600℃；所述电堆6需要维持在700℃，入口气体保持700℃。
18.和现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.1本发明采用小型氟盐冷却高温堆作为超临界二氧化碳发电系统和制氢系统的热
源，结合三者结构紧凑、安全可靠的优点，实现多用途多层次新型能量转换系统的深度耦合。
20.2本发明采用分流阀调控制氢量和发电量的比例，可以在不需要堆侧控制的前提下实现发电系统的快速灵活安全稳定变负荷。
21.3本发明采用二氧化碳预热器，利用制氢系统的中温排气预加热超临界二氧化碳，有效利用余热，提高发电系统的循环效率。
附图说明
22.图1为本发明的耦合小型氟盐冷却高温堆的超临界二氧化碳能量转换系统示意图。
23.图中：1为小型氟盐冷却高温堆堆芯、2为熔融盐换热器、3为熔盐—co2换热器、4为低温气体预热器、5为高温气体预热器、6为电堆、7为高温回热器、8为低温回热器、9为预冷器，10为主压缩机、11为再压缩机、12为透平、13为氢气容器、14为分流阀。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
25.如图1所示，本发明一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统，包括小型氟盐冷却高温堆、超临界二氧化碳发电系统和固体氧化物电解池制氢系统；其中小型氟盐冷却高温堆中熔融盐换热器2的高温氟盐用于加热制氢所需的高温气体并为电堆保温，同时也用于加热发电所需的高温高压超临界二氧化碳，通过分流阀14控制发电量与制氢量的比例，使得发电系统变工况运行时不需要堆侧控制，大大降低发电功率的控制难度；固体氧化物电解池制氢系统出口气体的余热先用于预热进入电堆的气体，排气用于超临界二氧化碳的预热，有效利用制氢余热，充分利用不同品味的热量，提高系统整体效率。
26.所述小型氟盐冷却高温堆包括小型氟盐冷却高温堆堆芯1、熔融盐换热器2和分流阀14；所述固体氧化物电解池制氢系统包括低温气体预热器4、高温气体预热器5、电堆6、预冷器9和氢气容器13；所述超临界二氧化碳发电系统包括预冷器9、主压缩机10、再压缩机11、低温回热器8、高温回热器7、熔盐—co2换热器3和透平12；
27.系统各部件间的具体连接关系为：小型氟盐冷却高温堆堆芯1工质入口与熔融盐换热器2热侧工质出口相连通，小型氟盐冷却高温堆堆芯1工质出口与熔融盐换热器2热侧工质入口相连通；熔融盐换热器2冷侧工质入口同时与熔盐—co2换热器3热侧工质出口、高温气体预热器5热侧工质出口和电堆6相连，熔融盐换热器2冷侧工质出口通过分流阀14同时与熔盐—co2换热器3热侧工质入口、高温气体预热器5热侧工质入口和电堆6相连；低温气体预热器4冷侧出口与高温气体预热器5冷侧入口相连，高温气体预热器5氮气侧出口与电堆6阴极入口相连，水蒸气侧出口与电堆6阳极入口相连，电堆6阳极出口和阴极出口与低温气体预热器4热侧工质入口相连，低温气体预热器4氢气侧出口与低温回热器8氢气侧入口相连，低温回热器8氢气侧出口与预冷器9氢气侧入口相连，预冷器9氢气侧出口与氢气容器13相连；高温回热器7热侧工质入口与透平12出口相连，高温回热器7热侧工质出口与低温回热器8热侧工质入口相连，高温回热器7冷侧工质入口同时与低温回热器8冷侧工质出口和再压缩机11出口相连，高温回热器7冷侧工质出口与熔盐—co2换热器3冷侧工质入口
相连，熔盐—co2换热器3冷侧工质出口与透平12入口相连；低温回热器8冷侧工质入口与主压缩机10出口相连，低温回热器8热侧工质出口同时与预冷器9入口和再压缩机11入口相连，预冷器9出口与主压缩机10入口相连。
28.本发明所述的一种基于小型氟盐冷却高温堆的高效制氢与发电耦合系统的工作方法为：氮气和水分别通入所述低温气体预热器4冷侧入口经电堆6高温排气加热，再进入高温气体预热器5经热侧氟盐加热为高温氮气和水蒸气，分别通入电堆6阴极和阳极，经电解制氢后电堆6阳极出口为高温氢气，阴极出口为高温氮气和氧气混合物，高温气体再分别通入低温气体预热器4热侧利用余热加热电堆6入口气体，提升发电效率；低温气体预热器4出口的氮气和氧气混合物直接排放，出口的氢气通入低温回热器8预热二氧化碳，再进入预冷器9冷却后进入氢气容器13储存。
29.高温flibe从小型氟盐冷却高温堆堆芯1出口进入熔融盐换热器2热侧加热低温flinak，低温flibe从熔融盐换热器2冷侧出口进入小型氟盐冷却高温堆堆芯1循环；经加热的高温flinak从熔融盐换热器2冷侧出口进入分流阀14，通过调整分流阀14开度改变进入超临界二氧化碳发电系统和固体氧化物电解池制氢系统的高温flinak的流量，配合固体氧化物电解池制氢系统中水和氮气流量的变化实现对制氢量的控制，配合超临界二氧化碳发电系统中二氧化碳流量的变化实现对发电量的控制，不需要堆芯侧的控制，简化了整体发电系统的控制方法。
30.超临界二氧化碳在主压缩机10中升压，依次在低温回热器8、高温回热器7、熔盐—co2换热器3中吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入透平12膨胀做功，透平12排气依次在高温回热器7、低温回热器8中放热后分流，一股经再压缩机11升压后汇入高温回热器7冷侧工质入口，另一股在预冷器9中冷却后进入主压缩机10，完成闭合循环。
31.作为本发明的优选实施方式，所述熔融盐换热器2冷侧出口温度为700℃，冷侧入口温度为600℃；所述电堆6需要维持在700℃，入口气体保持700℃。