基于热管堆的发电系统和发电方法与流程

本发明主要涉及热电转换，尤其涉及一种基于热管堆的发电系统和发电方法。

背景技术：

1、热管冷却反应堆(简称“热管堆”)是一种革新性的核反应堆方案，与传统回路式反应堆在堆芯结构、循环动力及输热方式上均存在本质区别。热管堆采用全固态的堆芯布置。热管堆运行时，固态堆芯产生的裂变能传导至堆芯内的碱金属热管，热管通过内部的自然循环流动输出堆芯热量。

2、现有基于热管堆的发电系统常采用闭式布雷顿循环进行热电转换，例如，超临界二氧化碳循环、氦氙布雷顿循环为闭式布雷顿循环，以氦-氙气体、超临界二氧化碳等为循环工质，先后经过等熵压缩、等压吸热、等熵膨胀、等压冷却四个过程，从而实现能量转化。在闭式布雷顿循环中，氦氙、超临界二氧化碳一般处于3～20mpa高压运行状态，循环工质存在泄漏风险。一方面需要提高相关设备及管路设计压力，另一方面需要考虑运行过程中的工质补充。另外，闭式布雷顿循环中的等压冷却过程需配置额外的冷源系统，即三回路系统，因而整体装置较复杂。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单且发电效率高的基于热管堆的发电系统和发电方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于热管堆的发电系统，包括热动转换模块，用于以空气为介质，经过压缩、加热、膨胀、冷却过程形成开式空气布雷顿循环吸收热管堆产生的热量进行发电；余热再利用模块，包括换热器，通过所述换热器接收所述热动转换模块的剩余热量，以有机工质为介质，经过加热汽化、膨胀、冷凝过程形成有机朗肯循环吸收所述剩余热量进行发电。

3、可选地，所述热动转换模块包括：压气机、热管堆、空气透平、第一发电机；空气经所述压气机的入口进入所述压气机，所述压气机的出口与所述热管堆的热量输出端连接，所述热管堆的空气输出端与所述空气透平的输入端连接，所述空气透平的运动端与所述第一发电机连接，所述空气透平的输出端与所述余热再利用模块连接。

4、可选地，所述热动转换模块包括：压气机、热管堆、空气透平、第一发电机和回热器；空气经所述压气机的入口进入所述压气机，所述压气机的出口与所述回热器的输入端连接，所述回热器的输入端还与所述空气透平的输出端连接，所述回热器的输出端与所述热管堆的热量输出端、所述余热再利用模块连接，所述热管堆的空气输出端与所述空气透平的输入端连接，所述空气透平的运动端与所述第一发电机连接。

5、可选地，所述余热再利用模块包括：换热器、透平膨胀机、第二发电机、冷凝器和循环泵；所述换热器的输入端与所述空气透平的输出端、所述循环泵的输出端连接，所述换热器的输出端与所述透平膨胀机的输入端连接，所述透平膨胀机的运动端与所述第二发电机连接，所述透平膨胀机的输出端与所述冷凝器的输入端连接，所述冷凝器的输出端与所述循环泵的输入端连接。

6、可选地，所述冷凝器包括冷却器和冷却风机；所述冷却器的输入端与所述透平膨胀机的输出端、所述冷却风机的输出端连接，所述冷却器的输出端与所述循环泵的输入端连接，所述冷却风机用于通过冷空气将流入所述冷却器的有机工质冷却为液体。

7、可选地，所述循环泵包括：有机工质贮存罐和有机工质增压泵；所述有机工质贮存罐的输入端与所述冷凝器的输出端连接，所述有机工质贮存罐的输出端与所述有机工质增压泵的输入端连接，所述有机工质增压泵的输出端与所述换热器的输入端连接。

8、可选地，所述热动转换模块还包括过滤器，所述过滤器与所述压气机连接，用于过滤进入所述压气机的空气中的杂质。

9、可选地，所述热动转换模块的空气透平的输出端输出空气的温度为200℃～400℃。

10、为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于如上所述的发电系统的发电方法，包括：获取空气，通过压气机对空气进行压缩，得到高压空气；通过热管堆产生的热量对所述高压空气进行加热，得到高温高压空气；通过所述高温高压空气推动空气透平做功，所述空气透平驱动第一发电机进行发电，并输出带有余热的空气；通过所述带有余热的空气加热换热器中的有机工质，使所述有机工质从液体转换为气体；通过所述气体驱动透平膨胀机做功，所述透平膨胀机驱动第二发电机进行发电。

11、可选地，发电方法还包括将所述透平膨胀机做功后输出的气体凝结成液体；通过循环泵将所述液体重新回到所述换热器中。

12、可选地，发电方法还包括通过所述带有余热的空气加热所述压气机输出的高压空气。

13、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

14、(1)热动转换模块采用开式空气布雷顿循环，采用空气作为工质，工质不怕泄露并容易获得，热动转换模块不需要配置额外的冷源系统，可以达到尺寸更小、整体系统更紧凑简洁的优点。

15、(2)本发明将开式空气布雷顿循环与有机朗肯循环系统联合，构建联合循环系统，系统能够充分对热能进行利用，提高热动转换效率，过研究分析，整体综合热动转换效率可达25％。

16、(3)本发明的基于热管堆的发电系统将热管堆的热能转换为电能，具有结构简单、装置体积小、响应速度快等优点，适用于小型化移动式发电系统。

17、(4)本发明的排气温度相对于普通布雷顿循环更低，所以具有很高的红外隐蔽性，具有较高的战略意义。

技术特征：

1.一种基于热管堆的发电系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于热管堆的发电系统，其特征在于，所述热动转换模块包括：压气机、热管堆、空气透平、第一发电机；

3.如权利要求1所述的基于热管堆的发电系统，其特征在于，所述热动转换模块包括：压气机、热管堆、空气透平、第一发电机和回热器；

4.如权利要求2或3所述的基于热管堆的发电系统，其特征在于，所述余热再利用模块包括：换热器、透平膨胀机、第二发电机、冷凝器和循环泵；

5.如权利要求4所述的基于热管堆的发电系统，其特征在于，所述冷凝器包括冷却器和冷却风机；

6.如权利要求4所述的基于热管堆的发电系统，其特征在于，所述循环泵包括：有机工质贮存罐和有机工质增压泵；

7.如权利要求2或3所述的基于热管堆的发电系统，其特征在于，所述热动转换模块还包括过滤器，所述过滤器与所述压气机连接，用于过滤进入所述压气机的空气中的杂质。

8.如权利要求2或3所述的基于热管堆的发电系统，其特征在于，所述热动转换模块的空气透平的输出端输出空气的温度为200℃～400℃。

9.一种用于如权利要求1～8任一项所述的发电系统的发电方法，其特征在于，包括：

10.如权利要求9所述的发电方法，其特征在于，还包括：

11.如权利要求9所述的发电方法，其特征在于，还包括通过所述带有余热的空气加热所述压气机输出的高压空气。

技术总结本发明提供了一种基于热管堆的发电系统和发电方法，包括热动转换模块，用于以空气为介质，经过压缩、加热、膨胀、冷却过程形成开式空气布雷顿循环吸收热管堆产生的热量进行发电；余热再利用模块，包括换热器，通过所述换热器接收所述热动转换模块的剩余热量，以有机工质为介质，经过加热汽化、膨胀、冷凝过程形成有机朗肯循环吸收所述剩余热量进行发电。本发明热动转换模块采用开式空气布雷顿循环，采用空气作为工质，工质不怕泄露并容易获得，热动转换模块不需要配置额外的冷源系统，可以达到尺寸更小、整体系统更紧凑简洁的优点。技术研发人员：颜岩,汤春桃,林千,张晓晴,袁春田,陈其昌,翁娜,宋印玺受保护的技术使用者：上海核工程研究设计院股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/4