LMMHD/ORC耦合发电系统及其工作方法

摘要

本发明公开了一种面向中高温热源的具有多回路故障预防机制的LMMHD/ORC耦合发电系统及其工作方法，该系统可以深海核反应堆为热源。通过与深海核反应堆进行耦合，将液态金属冷却剂与低沸点工质与混合器中混合，使得低沸点工质汽化推动液态金属通过磁流体发电通道发电，发电后的混合两相工质在分离器中分离，使用气态低沸点工质推动汽轮机转动进一步发电，巧妙地将两种发电方式结合起来，实现能量的梯级利用，此外，若其中一种发电装置出现故障，还可以通过主动控制利用另一种发电装置继续进行发电，持续稳定的输出电能。本发明可以显著提高深海核动力电源系统的发电输出功率与稳定性，更好地满足深海环境探测的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种LMMHD(液态金属磁流体发电Liquid Metal Magneto-Hydro-Dynamics)/ORC(有机朗肯循环Organic Rankine Cycle)耦合发电系统及其工作方法，尤其涉及一种具有多回路故障预防机制的LMMHD/ORC耦合发电系统及其工作方法，属于能源综合利用领域。

背景技术

海洋是地球上最广阔水体的总称，其面积约占地球表面积的71％。目前人类的活动基本停留在海洋表面，而人类已探索的海底只有5％。海底蕴藏着巨大的矿产资源，调查和利用海底矿产资源是我们整个经济社会持续发展的需要，但是目前，深海装备续航力不足仍然是进行深海探索需要克服的技术瓶颈。

液态金属冷却反应堆核动力系统采用的是惰性液态金属进行堆芯冷却，功率密度高、寿期长，符合未来深海装备对动力系统的需求，但是与之配套的发电装置和发电技术目前仍需进一步研究，磁流体发电机主要有两种形式，高温等离子气体磁流体发电机和液态金属磁流体(Liquid Metal MagnetoHydroDynamics，简称LMMHD)发电机，前者是以高温电离的导电气体作为工质，对热源温度要求很高，通常在3000℃以上。液态金属相比高温电离气体，具有导电率高，比热大，对热源温度要求相对较低等优点，并且能够与液态金属冷却反应堆核动力系统直接耦合，具有较好的实用前景。

虽然上述发电装置为深海探索提供了较好的思路，但深海探索活动等一些环境特殊的场合对于发电系统稳定性能要求很高，由于所处环境的特殊性，发电组件出现故障后并不能得到及时的维修，这有可能导致电能无法持续稳定的输出，甚至可能进一步恶化危及深海装置的安全性能，导致较为严重的后果。

发明内容

发明目的：

针对上述技术中存在的不足，本发明提出一种具有多回路故障预防机制的LMMHD/ORC耦合发电系统及其工作方法，可以主动的对发电系统的发电模式进行调节，以应对深海环境下可能出现的组件故障，在保障电能稳定输出的同时还能提高电能输出功率和效率，可以显著提高深海核动力电源系统的稳定性，能够更好地满足深海环境探测的要求。

技术方案：

一种LMMHD/ORC耦合发电系统，包括一级液态金属发电系统、二级有机工质朗肯循环发电系统和冷凝子系统，所述一级液态金属发电系统包括一级混合器(2)，一级磁流体发电通道(3)，一级分离器(4)和第一MHD泵(10)，所述二级有机工质朗肯循环发电系统包括第一阀门(5)，二级汽轮机(6)和二级发电机(7)，所述冷凝子系统包括二级冷凝器(8)和工质泵(9)；所述核反应堆系统(1)与一级混合器(2)液态金属进口(a)连接，一级混合器(2)出口与一级磁流体发电通道(3)进口相连接，一级磁流体发电通道(3)与一级分离器(4)的进口(c)连接，一级分离器(4)的液态金属出口(d)与第一MHD泵(10)的入口相连接，第一MHD泵(10)的出口与核反应堆系统(1)相连接；一级分离器(4)的低沸点工质出口(e)经第一阀门(5)与二级汽轮机(6)的入口连接，二级汽轮机(6)与二级发电机(7)组装在一起，二级汽轮机(6)的出口与二级冷凝器(8)低沸点工质进口(h)连接，二级冷凝器(8)低沸点工质出口(k)与工质泵(9)的进口连接，工质泵(9)的出口经第二阀门(11)与一级混合器(2)低沸点工质进口(b)连接，用来冷却低沸点工质的冷却介质从二级冷凝器(8)的冷却介质进口(j)进入，从二级冷凝器(8)的冷却介质出口(i)输出。

一种具有多回路故障预防机制的LMMHD/ORC耦合发电系统，包括一级液态金属发电系统、二级有机工质朗肯循环发电系统、冷凝子系统以及主动控制系统，所述一级液态金属发电系统包括一级混合器(2)，一级磁流体发电通道(3)，一级分离器(4)和第一MHD泵(10)，所述二级有机工质朗肯循环发电系统包括第一阀门(5)，二级汽轮机(6)和二级发电机(7)，所述冷凝子系统包括二级冷凝器(8)和工质泵(9)，主动控制系统包括第三阀门(12)，第四阀门(14)，第五阀门(15)，第二MHD泵(13)和换热器(16)；所述核反应堆系统(1)经第五阀门(15)与一级混合器(2)液态金属进口(a)连接，一级混合器(2)出口与一级磁流体发电通道(3)进口相连接，一级磁流体发电通道(3)与一级分离器(4)的进口(c)连接，一级分离器(4)的液态金属出口(d)与第一MHD泵(10)的入口相连接，第一MHD泵(10)的出口与核反应堆系统(1)相连接；一级分离器(4)的低沸点工质出口(e)经第一阀门(5)与二级汽轮机(6)的入口连接，二级汽轮机(6)与二级发电机(7)组装在一起，二级汽轮机(6)的出口经第七阀门(18)与二级冷凝器(8)低沸点工质进口(h)连接，二级冷凝器(8)低沸点工质出口(k)与工质泵(9)的进口连接，工质泵(9)的出口经第二阀门(11)与一级混合器(2)低沸点工质进口(b)连接，用来冷却低沸点工质的冷却介质从二级冷凝器(8)的冷却介质进口(j)进入，从二级冷凝器(8)的冷却介质出口(i)输出；所述核反应堆系统(1)还经第四阀门(14)与换热器(16)液态金属进口(l)连接，换热器(16)液态金属出口(0)与第二MHD泵(13)进口连接，第二MHD泵(13)出口与核反应堆系统(1)连接，工质泵(9)还经第二阀门(11)与换热器(16)低沸点工质进口(m)连接，换热器(16)低沸点工质出口(n)与二级汽轮机(6)的入口连接，一级分离器(4)的低沸点工质出口(e)还经第六阀门(17)与冷凝器(8)的低沸点工质进口(h)连接。

一种LMMHD/ORC耦合发电系统的工作方法，包括如下步骤：

步骤一：利用深海核反应堆作为热源，将液态金属冷却剂加热至较高的温度，高温液态金属在一级混合器(2)中与液态低沸点工质混合，导致液态低沸点工质迅速汽化体积膨胀推动液态金属运动进入一级磁流体发电通道(3)，发电结束后的两相混合流体在分离器(4)中完成气液分离。

步骤二：于分离器中完成分离的气态低沸点工质继续运动，经过第一阀门(5)推动二级汽轮机(6)转动从而带动二级发电机(7)进行发电，之后气态低沸点工质进入冷凝器(8)进行冷凝，冷凝得到的液态低沸点工质通过工质泵(9)的运输重新回到一级混合器(2)进行新一轮的发电循环。

一种具有多回路故障预防机制的LMMHD/ORC耦合发电系统的工作方法，包括如下步骤：

步骤一：关闭第一阀门(5)、第七阀门(18)、第四阀门(14)、第三阀门(12)，开启第五阀门(15)、第六阀门(17)、第二阀门(11)，经过核反应堆加热的冷却剂液态金属在一级混合器(2)中与液态低沸点工质混合，导致液态低沸点工质迅速汽化体积膨胀推动液态金属运动进入一级磁流体发电通道(3)，发电结束后的两相混合流体在分离器(4)中完成气液分离，之后气态低沸点工质进入冷凝器(8)进行冷凝，冷凝得到的液态低沸点工质通过工质泵(9)的运输重新回到一级混合器(2)进行新一轮的发电循环，液态金属通过第一MHD泵(10)的运输重新回到核反应堆冷却堆芯。

步骤二：开启第七阀门(18)、第四阀门(14)、第三阀门(12)，关闭第五阀门(15)、第二阀门(11)、第六阀门(17)，经过核反应堆加热的冷却剂液态金属流至换热器(16)，在其中与液态低沸点工质进行热交换，产生的气态低沸点工质推动二级汽轮机(6)转动从而带动二级发电机(7)进行发电，之后气态低沸点工质进入冷凝器(8)进行冷凝，冷凝得到的液态低沸点工质通过工质泵(9)的运输流经第三阀门(12)回到换热器(16)进行新一轮的循环。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过合理的设置，将液态金属两相流磁流体发电装置与有机朗肯循环装置巧妙地结合起来，能够充分的利用核反应堆产生的热能进行发电，以梯级利用的形式提高了将热能转化为电能的效率，有利于实现能源的高效利用。

(2)液态金属磁流体发电通道无需机械转换环节，可以直接将液态金属的热能转化为电能输出，转化效率高，此外，通过合理的设置各个发电组件，使设计更加简单，减少系统的成本的同时提高了能量利用率，整个发电装置具有结构紧凑，发电效率高的优点，便于深海装置携带，有利于深海探测活动的进行。

(3)由于深海环境特殊，若是发电装置在深海探测活动中出现故障，难以得到及时的维修，进而会影响整个探测装置的安全性能，因此，本发明在多级发电系统的基础上进一步进行了合理的设计，通过设置多个阀门，达到对于发电系统模式转换的主动控制，在其中某一部分发电装置出现故障时，能够通过主动控制切换发电模式，保障发电系统能够在部分部件故障时继续进行发电，可以显著提高深海核动力电源系统的稳定性，能够更好地满足深海环境探测的要求。

附图说明

图1为本发明一种LMMHD/ORC耦合发电系统的结构示意图

其中：1-核反应堆系统，2-一级混合器，3-一级磁流体发电通道，4-一级分离器，5-第一阀门，6-二级汽轮机，7-二级发电机，8-二级冷凝器，9-工质泵，10-第一MHD泵，a-一级混合器液态金属入口，b-一级混合器低沸点工质入口，c-一级分离器两相混合工质进口，d-一级分离器液态金属出口，e-一级分离器气态低沸点工质出口，h-二级冷凝器低沸点工质进口，i-二级冷凝器冷却介质出口，j-二级冷凝器冷却介质进口，k-二级冷凝器低沸点工质出口。

图2为一种具有多回路故障预防机制的LMMHD/ORC耦合发电系统的结构示意图

其中：1-核反应堆系统，2-一级混合器，3-一级磁流体发电通道，4-一级分离器，5-第一阀门，6-二级汽轮机，7-二级发电机，8-二级冷凝器，9-工质泵，10-第一MHD泵，11-第二阀门,12-第三阀门，13-第二MHD泵，14-第四阀门，15-第五阀门,16-换热器，17-第六阀门,18-第七阀门，a-一级混合器液态金属入口，b-一级混合器低沸点工质入口，c-一级分离器两相混合工质进口，d-一级分离器液态金属出口，e-一级分离器气态低沸点工质出口，h-二级冷凝器低沸点工质进口，i-二级冷凝器冷却介质出口，j-二级冷凝器冷却介质进口，k-二级冷凝器低沸点工质出口，l-换热器液态金属进口，m-换热器低沸点工质进口，n-换热器低沸点工质出口，o-换热器液态金属出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的解释。

一种LMMHD/ORC耦合发电系统(如图1)，包括一级液态金属发电系统、二级有机工质朗肯循环发电系统和冷凝子系统，所述一级液态金属发电系统包括一级混合器2，一级磁流体发电通道3，一级分离器4和第一MHD泵10，所述二级有机工质朗肯循环发电系统包括第一阀门5，二级汽轮机6和二级发电机7，所述冷凝子系统包括二级冷凝器8和工质泵9；所述核反应堆系统1与一级混合器2液态金属进口a连接，一级混合器2出口与一级磁流体发电通道3进口相连接，一级磁流体发电通道3与一级分离器4的进口c连接，一级分离器4的液态金属出口d与第一MHD泵10的入口相连接，第一MHD泵10的出口与核反应堆系统1相连接；一级分离器4的低沸点工质出口e经第一阀门5与二级汽轮机6的入口连接，二级汽轮机6与二级发电机7组装在一起，二级汽轮机6的出口与二级冷凝器8低沸点工质进口h连接，二级冷凝器8低沸点工质出口k与工质泵9的进口连接，工质泵9的出口经第二阀门11与一级混合器2低沸点工质进口b连接，用来冷却低沸点工质的冷却介质从二级冷凝器8的冷却介质进口j进入，从二级冷凝器8的冷却介质出口i输出。

一种LMMHD/ORC耦合发电系统(如图1)的工作方法具体包括如下步骤：

步骤一：利用深海核反应堆作为热源，将液态金属冷却剂加热至较高的温度，高温液态金属在一级混合器2中与液态低沸点工质混合，导致液态低沸点工质迅速汽化体积膨胀推动液态金属运动进入一级磁流体发电通道3，发电结束后的两相混合流体在分离器4中完成气液分离。

步骤二：于分离器中完成分离的气态低沸点工质继续运动，经过第一阀门5推动二级汽轮机6转动从而带动二级发电机7进行发电，之后气态低沸点工质进入冷凝器8进行冷凝，冷凝得到的液态低沸点工质通过工质泵9的运输重新回到一级混合器2进行新一轮的发电循环。

一种具有多回路故障预防机制的LMMHD/ORC耦合发电系统(如图2)，包括一级液态金属发电系统、二级有机工质朗肯循环发电系统、冷凝子系统以及主动控制系统，所述一级液态金属发电系统包括一级混合器2，一级磁流体发电通道3，一级分离器4和第一MHD泵10，所述二级有机工质朗肯循环发电系统包括第一阀门5，二级汽轮机6和二级发电机7，所述冷凝子系统包括二级冷凝器8和工质泵9，主动控制系统包括第三阀门12，第四阀门14，第五阀门15，第二MHD泵13和换热器16；所述核反应堆系统1经第五阀门15与一级混合器2液态金属进口a连接，一级混合器2出口与一级磁流体发电通道3进口相连接，一级磁流体发电通道3与一级分离器4的进口c连接，一级分离器4的液态金属出口d与第一MHD泵10的入口相连接，第一MHD泵10的出口与核反应堆系统1相连接；一级分离器4的低沸点工质出口e经第一阀门5与二级汽轮机6的入口连接，二级汽轮机6与二级发电机7组装在一起，二级汽轮机6的出口经第七阀门18与二级冷凝器8低沸点工质进口h连接，二级冷凝器8低沸点工质出口k与工质泵9的进口连接，工质泵9的出口经第二阀门11与一级混合器2低沸点工质进口b连接，用来冷却低沸点工质的冷却介质从二级冷凝器8的冷却介质进口j进入，从二级冷凝器8的冷却介质出口i输出；所述核反应堆系统1还经第四阀门14与换热器16液态金属进口l连接，换热器16液态金属出口0与第二MHD泵13进口连接，第二MHD泵13出口与核反应堆系统1连接，工质泵9还经第二阀门11与换热器16低沸点工质进口m连接，换热器16低沸点工质出口n与二级汽轮机6的入口连接，一级分离器4的低沸点工质出口e还经第六阀门17与冷凝器8的低沸点工质进口h连接。

一种具有多回路故障预防机制的LMMHD/ORC耦合发电系统(如图2)的工作方法具体包括如下步骤：

步骤一：关闭第一阀门5、第七阀门18、第四阀门14、第三阀门12，开启第五阀门15、第六阀门17、第二阀门11，经过核反应堆加热的冷却剂液态金属在一级混合器2中与液态低沸点工质混合，导致液态低沸点工质迅速汽化体积膨胀推动液态金属运动进入一级磁流体发电通道3，发电结束后的两相混合流体在分离器4中完成气液分离，之后气态低沸点工质进入冷凝器8进行冷凝，冷凝得到的液态低沸点工质通过工质泵9的运输重新回到一级混合器2进行新一轮的发电循环，液态金属通过第一MHD泵10的运输重新回到核反应堆冷却堆芯。

步骤二：开启第七阀门18、第四阀门14、第三阀门12，关闭第五阀门15、第二阀门11、第六阀门17，经过核反应堆加热的冷却剂液态金属流至换热器16，在其中与液态低沸点工质进行热交换，产生的气态低沸点工质推动二级汽轮机6转动从而带动二级发电机7进行发电，之后气态低沸点工质进入冷凝器8进行冷凝，冷凝得到的液态低沸点工质通过工质泵9的运输流经第三阀门12回到换热器16进行新一轮的循环。

本发明提出一种具有多回路故障预防机制的LMMHD/ORC耦合发电系统的原理：可以将深海核反应堆作为热源，将液态金属冷却剂与低沸点工质于混合器中混合，从而使得低沸点工质汽化推动液态金属通过磁流体发电通道发电，发电后的混合两相工质在分离器中分离，液态金属通过MHD泵回到核反应堆系统继续冷却堆芯，而气态低沸点工质推动汽轮机转动进一步发电；该系统还设置了多个阀门以及换热器，通过合理的布置，能够主动控制发电系统进行双模式切换，既可以单独使用液态金属与低沸点工质混合进行磁流体发电，也可以利用高温液态金属加热低沸点工质带动汽轮机进行发电，两个独立的发电模式共用一个冷凝器对低沸点工质进行冷凝。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。