[發明專利]一種超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統用負荷跟蹤方法

有效

• 申請號: 202010791397.6
• 申請日: 2020-08-07
• 公開（公告）號: CN112071457B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 吳攀;高春天;單建強
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G21C17/12
• 分類號: G21C17/12;G21C17/14;G21D1/02;G21D3/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 高博

本發明公開了一種超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統用負荷跟蹤方法，滿負荷運行時，COsubgt;2/subgt;工質流入氣輪機內膨脹做功，在回熱器內釋放部分熱量后進入預冷器冷卻，進入壓縮機增壓后流入回熱器吸收氣輪機乏氣的能量，重新回到反應堆，完成整個循環過程；當部分負荷工況運行時，通過發電機功率控制系統實現發電機功率同電網需求的匹配；通過壓縮機入口溫度控制系統實現負荷運行過程中壓縮機入口溫度的調控；通過壓縮機阻塞保護系統確保壓縮機遠離阻塞運行區域；反應堆的功率通過堆芯功率控制系統依靠反應性反饋自動調節，實現反應堆功率跟隨發電機功率變化的自動調節。本發明實現超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統在全負荷范圍內的負荷跟蹤能力。

技術領域

本發明屬于先進核反應堆系統運行策略和熱工水力計算技術領域，具體涉及一種超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統用負荷跟蹤方法。

背景技術

超臨界二氧化碳S-CO₂布雷頓循環具有系統結構緊湊、設備布置簡單、和在中等工作溫度下實現高循環效率等優勢，有利于核反應堆系統小型化、高效化技術的實現，在空間站、船舶推進、和民用發電站具有巨大應用潛景。尤其是超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統可以消除間接布雷頓循環系統中所需的中間熱交換器，進一步提高反應堆系統的緊湊性和經濟性。因此，新型的超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統引起了廣泛的關注。

在系統啟動、停機過程中，變負荷操作是重要的運行過程。此外，應用于小電網、空間站和船舶等場景中，對核反應堆系統的負荷跟隨能力也有較高需求。因此，變負荷運行是超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統的一個重要研究方向。由于超臨界二氧化碳布雷頓循環系統具有渦輪機械同軸定轉速、壓縮機入口運行在臨界點附近、超臨界二氧化碳在臨界點附近物性具有強烈非線性變化等、氣冷反應堆負反饋弱等特性，增加了超臨界二氧化碳布雷頓循環系統的控制策略設計的復雜性和難度。在布雷頓循環系統中常用的變負荷方法包括轉速控制、裝量控制、溫度控制、節流控制和旁通控制，其中旁通方法具有響應速度快、調節準確和部分負荷下效率相對較高的特性，因此旁通方法被選為超臨界二氧化碳布雷頓循環系統的變負荷方法。

目前對于變負荷策略，主要以超臨界二氧化碳布雷頓循環同鈉冷快堆、鉛冷快堆等間接耦合的反應堆系統為研究對象。在超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統中，需要考慮堆芯反應性反饋對系統行為的影響。此外，在超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統中，采用上回路旁通方法時，旁通閥的動作會對堆芯冷卻劑流量有巨大影響。堆芯冷卻劑流量會因旁通閥開啟而減少，這會對堆芯和系統的安全帶來挑戰。因此，在采用旁通方法作為超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統的變負荷原理，需要考慮系統運行的穩定性和安全性。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統用負荷跟蹤方法，同時考慮到堆芯和布雷頓循環系統運行的安全性和穩定性。

本發明采用以下技術方案：

一種超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統用負荷跟蹤方法，工質在氣輪機內做功，驅動轉動軸旋轉，帶動壓縮機為整個循環回路提供工質流動的驅動力，發電機向外電網提供需要的負荷；滿負荷運行時，CO₂工質在反應堆內加熱升溫后，流入氣輪機內膨脹做功，產生的氣輪機乏氣在回熱器內釋放部分熱量后，進入預冷器經冷卻水冷卻到目標溫度，經壓縮機入口進入壓縮機增壓，再流入回熱器吸收氣輪機乏氣的能量，重新回到反應堆，完成整個循環過程；當部分負荷工況運行時，通過發電機功率控制系統實現發電機功率同電網需求的匹配；通過壓縮機入口溫度控制系統實現負荷運行過程中壓縮機入口溫度的調控；通過壓縮機阻塞保護系統確保壓縮機遠離阻塞運行區域；反應堆的功率通過堆芯功率控制系統依靠反應性反饋自動調節，實現反應堆功率跟隨發電機功率變化的自動調節，削弱瞬態過程對系統關鍵參數的擾動，實現超臨界二氧化碳直接冷卻反應堆系統在全負荷范圍內的負荷跟蹤能力。

具體的，發電機功率控制系統采用上回路旁通閥維持氣輪機軸轉速恒定，實現發電機功率同電網需求的匹配，通過調節上回路旁通閥的開度，改變氣輪機的工質流量和功率。