李慶云，范飛，葉海，潘生杰，夏涵月，吳傳昌

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314）

近些年，核燃料后處理的研究得到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注[1-6]。在核燃料后處理過程中會消耗大量低壓蒸汽，采用蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)制備系統(tǒng)用氣[7-9]。蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分為蒸汽制備系統(tǒng)和凝結(jié)水回用系統(tǒng)。蒸汽制備系統(tǒng)包含蒸汽發(fā)生器、疏水罐、疏水冷卻器、除氧器等。凝結(jié)水回用系統(tǒng)由閃蒸罐、回水冷卻器、換熱機組、鍋爐系統(tǒng)等構(gòu)成。蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的深入研究對核燃料后處理系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

1 蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

孫琳[10]等利用蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以主蒸汽作為熱源，采用間接換熱的方式制備系統(tǒng)用氣，通過蒸汽分配器為后續(xù)設(shè)備供應蒸汽。羅海泉[11]采用噴水減溫器以系統(tǒng)凝結(jié)水作為冷介質(zhì)將主蒸汽減溫減壓制備滿足系統(tǒng)需求的蒸汽。噴水減溫器代替了蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，減少了設(shè)備、儀表、管線等物件的消耗，但升溫后的凝結(jié)水溫度高于除氧器進水溫度，須額外補充除氧水降溫，既浪費能量又增加了水源的消耗。曹平[12]等在新建核電站中采用蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、汽輪機抽氣和燃油鍋爐相結(jié)合的方式為系統(tǒng)提供蒸汽，可以為多種工況提供蒸汽，具有良好的適用性。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，將輔助蒸汽與工藝蒸汽分開供應雖可以有效避免因設(shè)備泄露，但卻增加了設(shè)備數(shù)量、增大了運行維護強度、提高了生產(chǎn)成本。針對上述問題對工藝流程進行優(yōu)化，得到如圖1所示的工藝流程圖。

工藝系統(tǒng)采用去離子水作為系統(tǒng)供水，采暖系統(tǒng)的供水為除鹽水。由于兩系統(tǒng)所用水質(zhì)不同，因此采用間接加熱的方式。工藝用氣經(jīng)工藝設(shè)備后存在被污染的可能，因此在工藝設(shè)備出口對蒸汽凝結(jié)水進行在線放射性檢測[13]。放射性檢測合格的蒸汽凝結(jié)水經(jīng)除氧器加熱后轉(zhuǎn)化為工藝用氣在蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中循環(huán)使用。放射性檢測不合格的蒸汽凝結(jié)水送入特殊處理系統(tǒng)，經(jīng)處理達標后回用。該系統(tǒng)既解決了蒸汽污染造成的危害，還減少了設(shè)備使用量，有效降低了投資成本、設(shè)備運行和維護成本。

圖1 蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)流程圖

2 軟件模擬及結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)文獻[14-15]設(shè)定鍋爐系統(tǒng)提供的主蒸汽和工藝設(shè)備使用的工藝用氣參數(shù)如表1所示。

采用Aspen Plus 軟件模擬不同工況下的蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，模擬流程如圖2所示。除鹽水經(jīng)除氧器D-106 加熱除氧后為鍋爐系統(tǒng)供水，用于制備217 ℃的飽和水蒸汽（主蒸汽）。主蒸汽與工藝用水經(jīng)蒸汽發(fā)生器E-101、疏水冷卻器E-102 換熱后冷凝，在閃蒸罐D(zhuǎn)-102 內(nèi)閃蒸。閃蒸蒸汽與空氣在換熱器E-103 內(nèi)換熱，閃蒸后的凝結(jié)水經(jīng)換熱器E-104與空氣換熱冷卻至80 ℃后進入除氧器D-106 中循環(huán)使用。工藝側(cè)的去離子水經(jīng)除氧器D-103 加熱除氧后進入疏水冷卻器E-102、蒸汽發(fā)生器E-101 換熱制備工藝用氣。工藝用氣經(jīng)工藝設(shè)備后冷凝為90 ℃凝結(jié)水，在換熱器E-105 中被空氣冷卻至80 ℃，進入除氧器D-103 中循環(huán)使用。

表1 系統(tǒng)蒸汽工藝參數(shù)

圖2 蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)流程模擬圖

以主蒸汽作為熱源制備188 ℃、1.1 MPaG 的工藝用氣，通過改變工藝用氣的流量探究系統(tǒng)的變化規(guī)律，計算送風系統(tǒng)內(nèi)空氣的溫升。分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改變工藝用氣的流量，系統(tǒng)內(nèi)除閃蒸罐D(zhuǎn)-102的閃蒸溫度發(fā)生改變，其他物料的主要工藝參數(shù)均未改變。不同流量下參數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同流量下參數(shù)的變化規(guī)律

從圖3 中可以看出，隨著工藝用氣流量的增大，閃蒸罐D(zhuǎn)-102 的溫度不斷降低，空氣升高溫差也隨之降低。流量在40 000 kg·h-1后變化緩慢，此后適當增加工藝用氣的流量，對系統(tǒng)能量回收影響不大。

工藝用氣的流量設(shè)定為40 000 kg·h-1，探究不同溫度的工藝用氣對系統(tǒng)的影響，同時計算送風系統(tǒng)內(nèi)空氣的升高溫度。對比模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在主蒸汽閃蒸溫度不變的情況下，不同飽和溫度的工藝用氣主要影響除氧器D-103 內(nèi)工藝凝結(jié)水加熱除氧時的耗汽量。在圖4 中，隨著飽和溫度的提高，除氧器D-103 內(nèi)用于除氧的工藝用氣的用量無明顯變化，空氣升高溫度集中在9 ℃左右。在滿足工藝需求的情況下，工藝用氣的溫度和壓力可采用圖4 的中間點188 ℃、1.1 MPaG。根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒、能量高效利用等原則，經(jīng)過對比研究，主蒸汽（217 ℃，2.1 MPaG，40 000 kg·h-1）與去離子水換熱制備工藝用氣時，工藝參數(shù)優(yōu)先選擇溫度188 ℃、壓力1.1 MPaG、流量40 000 kg·h-1。

圖4 不同飽和溫度下參數(shù)的變化規(guī)律

3 經(jīng)濟效益分析

從電耗、標煤節(jié)耗、煙氣減排量分析最適工況（188 ℃、1.1 MPaG、40 000 kg·h-1）的經(jīng)濟效益。

3.1 電耗

蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中E-103、E-104、E-105 3 臺換熱器每小時可將1.11×107kJ 的熱量傳遞給空氣，為送風系統(tǒng)提供暖風。6—9月溫度較高，系統(tǒng)熱量被溴化鋰吸收式制冷機組利用，用于冷卻空氣。此時電量的節(jié)耗影響因素較多，采用理論計算與實際偏差較大，因此暫不計算經(jīng)濟效益。其余月份因暖風的引用，可節(jié)約電量1.8×107kW·h，按1 kW·h單價0.39 元計算，每年可節(jié)省702 萬元。

3.2 標煤的節(jié)耗量

1 kg 標準煤有29 308 kJ 的熱量，蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)每小時產(chǎn)生的熱量可折合為379 kg 的標準煤，每年可節(jié)省標準煤3 320 t。按500 元·t-1的價格計算，每年可節(jié)省166 萬元。

3.3 煙氣減排量

按燃燒1 kg 標準煤釋放2.6 kg CO2、0.024 kg SO2、0.007 kg 氮氧化物及0.002 kg 煙塵計算[16]，蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)每年可以減少排放8 632 t CO2、79.7 t SO2、23.2 t 氮氧化物及6.6 t 煙塵，有利于環(huán)境的保護。

4 結(jié)論

1）對蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對比研究發(fā)現(xiàn)，采用主蒸汽與工藝用水直接換熱、循環(huán)使用的方式為系統(tǒng)提供工藝用氣和能量，有效降低了設(shè)備投資和后期運行成本。在工藝設(shè)備出口處對凝結(jié)水進行在線放射性檢測，實現(xiàn)了從源頭上杜絕輻射污染的目的。

2）采用Aspen Plus 軟件對不同工況進行模擬，可獲得不同工況下的工藝參數(shù)，減少了系統(tǒng)的試驗次數(shù)，確定了最適工藝參數(shù)的范圍，有效縮短了開工時間，對實際生產(chǎn)應用具有重要意義。

3）通過對閃蒸罐的閃蒸溫度、除氧器加熱過程中工藝用氣的消耗量以及空氣溫升的分析，確定當主蒸汽（217 ℃、2.1 MPaG、40 000 kg·h-1）與去離子水換熱制備工藝用氣時，在滿足工藝用氣的條件下，最優(yōu)工藝參數(shù)為溫度188 ℃、壓力1.1 MPaG，流量40 000 kg·h-1。

4）送風系統(tǒng)和溴化鋰吸收式制冷機組的增設(shè)，可以有效利用系統(tǒng)運行中的多余熱量，實現(xiàn)節(jié)電1.8×107kW·h、節(jié)省3 320 t 標準煤、減排大量煙氣、創(chuàng)造上百萬的經(jīng)濟效益，擁有良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，具有廣闊的應用前景。