侯平利，付月明，林　潤

壓水堆對外供應(yīng)蒸汽品質(zhì)提升技術(shù)研究

侯平利，付月明，林潤

（深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518172）

以提升壓水堆對外供汽品質(zhì)為目的，以某低溫供熱堆供汽項目為研究對象，運(yùn)用核氣聯(lián)合循環(huán)原理，以核為主要動力，燃?xì)庾鳛檩o助助力，提出了核常聯(lián)動熱力系統(tǒng)方案。在假定輸汽距離下，通過GT PRO燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)模擬軟件對該系統(tǒng)方案進(jìn)行了分析，并開展了核常聯(lián)動系統(tǒng)主機(jī)選型，計算結(jié)果表明所開發(fā)的技術(shù)方案不僅可以提升壓水堆外供蒸汽品質(zhì)，還具有提升供汽項目對外供汽量的效果。

低溫供熱堆；核氣聯(lián)合循環(huán)；供汽；熱力系統(tǒng)

近年來，核能供熱成為國內(nèi)外核能行業(yè)研究開發(fā)熱點(diǎn)。壓水堆蒸汽發(fā)生器所產(chǎn)蒸汽為飽和蒸汽，如某型低溫供熱壓水堆蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽為201 ℃飽和蒸汽。如采用飽和蒸汽進(jìn)行長距離輸送，會有以下問題：

（1）飽和蒸汽濕度太大，在傳輸中蒸汽中便有液滴或液霧形成，并導(dǎo)致溫度與壓力的降低，在傳輸過程中熱量損失大，為了保障末端企業(yè)用戶的蒸汽壓力和溫度，管道用材及保溫材料都需加強(qiáng)；

（2）因管道熱損失極易導(dǎo)致冷凝水產(chǎn)生并大量聚集，因此每隔30～50 m就必須布置疏水點(diǎn)，增加初投資，而且高溫冷凝水排放會造成熱量的大量損失并且對周邊環(huán)境也會有影響；

（3）飽和蒸汽在輸送過程中由于散熱，變成凝結(jié)水+蒸汽，氣液兩相易引起管道振動，產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，水擊現(xiàn)象嚴(yán)重時可導(dǎo)致管道劇烈震動、支架脫落，甚至管道破裂引發(fā)重大安全事故，若電廠所在地形起伏不定，水擊現(xiàn)象更容易形成水錘，對管道的破壞可能性更大；

（4）采用飽和蒸汽直接輸送，沿途疏放水、防范水擊、輸送經(jīng)濟(jì)性都無法控制。需增加投資和運(yùn)行管理費(fèi)用，輸送效果差，還有水錘的影響和破壞。

故此，此型低溫供熱堆供汽項目應(yīng)采用過熱蒸汽進(jìn)行長距離輸送。采用過熱蒸汽輸送，沿程熱損失更小，更節(jié)約能源，同時也更安全。因此，考慮在低溫供熱堆蒸汽出口處熱網(wǎng)設(shè)置加熱站將飽和蒸汽加熱成過熱蒸汽，再進(jìn)行輸送。本文首先對現(xiàn)有飽和蒸汽繼續(xù)過熱蒸汽生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)查、比選，然后開發(fā)適合此型低溫供熱堆的過熱蒸汽生產(chǎn)系統(tǒng)。

1　飽和蒸汽繼續(xù)過熱技術(shù)比選

飽和蒸汽過熱技術(shù)的使用并不廣泛，較少的實(shí)際應(yīng)用案例出現(xiàn)于石油化工、鋼鐵企業(yè)[1]，用于副產(chǎn)飽和蒸汽的品質(zhì)提升，在核能行業(yè)，文獻(xiàn)[2]提出了一種利用一次側(cè)上游的蒸汽過熱器將蒸汽發(fā)生器的飽和蒸汽繼續(xù)過熱的技術(shù)，由于其過熱器存在溫度限制，并不適用于本項目。

通常，一個完整的過熱蒸汽生產(chǎn)流程包括給水預(yù)熱、蒸發(fā)成飽和蒸汽、蒸汽過熱等環(huán)節(jié)，可以使高溫加熱介質(zhì)的溫度降低到合理水平。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，從一次能源生產(chǎn)開始，經(jīng)過轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸、分配、直到用戶用的全過程都是功與能的轉(zhuǎn)換過程。在這個過程當(dāng)中雖然依據(jù)能量守恒，能量總和保持不變，但能量品質(zhì)和能級可以發(fā)生變化。

在集中供熱系統(tǒng)中，熱電廠、區(qū)域鍋爐房可作為較大型的熱源使用；地?zé)帷⒐I(yè)余熱、太陽能、地源熱泵和直燃機(jī)等可作為小型區(qū)域供熱熱源[3]。太陽能供熱水工程也采用輔助熱源，但熱源溫度要求較低，僅可以作為參考。由于太陽能間歇性特點(diǎn)，為了保證生活熱水的供應(yīng)質(zhì)量，輔助熱源應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件，選擇城市熱網(wǎng)、電、煤、燃?xì)?、燃油、工業(yè)余熱或者生物質(zhì)燃料等。加熱/換熱設(shè)備選擇各類鍋爐、換熱器和熱泵等。溫度較高的一般選用電加熱、鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)等技術(shù)。

在雙碳行動背景下，燃煤使用帶來的污染及高碳排放量問題日益凸顯，另外近年來電煤價格波動劇烈，經(jīng)濟(jì)性變差。燃油、燃?xì)忮仩t及直燃機(jī)通常在環(huán)保要求高、電力供應(yīng)緊張的地區(qū)使用，由于燃油燃?xì)忮仩t的運(yùn)行費(fèi)用很高，需根據(jù)當(dāng)?shù)啬茉垂?yīng)狀況做好經(jīng)濟(jì)等多方面分析工作。

《供熱工程》[3]一書中指出，從我國目前的能源結(jié)構(gòu)與技術(shù)條件來看，應(yīng)大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱。該文獻(xiàn)還指出，電是寶貴的二次能源，并且我國電的來源絕大多數(shù)是火電廠，雖然電鍋爐的熱效率高，但在電廠由煤轉(zhuǎn)化為電的效率則不高，最多是40%，再加上長距離的輸送等等中間環(huán)節(jié)。從能源的轉(zhuǎn)化與利用角度來看，單純采用電鍋爐采暖是極大的浪費(fèi)行為。電鍋爐用于采暖的唯一好處是可以對電網(wǎng)起到削減峰谷差的作用，有利于電廠的平穩(wěn)運(yùn)行。切不可直接用電鍋爐采暖，必須要有蓄熱裝置，并在盡可能利用谷價電的情況下才可使用。從該文獻(xiàn)的建議可以看出，電加熱、蒸汽過熱爐（以燃?xì)鉃槿剂希┘夹g(shù)都是該書所不推薦的技術(shù)。

2016年，由發(fā)改委牽頭，能源局、財政部、住建部、環(huán)保部共同發(fā)布了《熱電聯(lián)產(chǎn)管理辦法》，明確提出了建設(shè)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)項目，實(shí)現(xiàn)蒸汽的梯級利用，并規(guī)定工業(yè)用汽型聯(lián)合循環(huán)項目全年熱電比不低于40%的要求。

因此本文推薦采用燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)作為飽和蒸汽繼續(xù)過熱的技術(shù)。在學(xué)術(shù)界，一般把燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)與核能耦合的技術(shù)稱為“核氣聯(lián)合循環(huán)”，也可以叫作“核常聯(lián)供”技術(shù)，其利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱提升小型壓水堆蒸發(fā)器的蒸汽參數(shù)，使低溫供熱堆在內(nèi)的小型壓水堆滿足廣泛的工業(yè)蒸汽需求。

2　核氣聯(lián)合循環(huán)技術(shù)簡介

壓水堆核電系統(tǒng)主蒸汽參數(shù)較低，汽輪機(jī)工作環(huán)境惡劣，循環(huán)熱效率較低。如果能將化學(xué)能有機(jī)地嵌入核電廠二回路，溫度對口、梯級利用，成為一種協(xié)同高效發(fā)電的雙燃料混合能源電站，正順應(yīng)了這樣一種時代需求。從1970年以來，企業(yè)界及學(xué)術(shù)界的很多研究者都對燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)和壓水堆核能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)合方案及其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究分析[4-6]。P.E.Florido等人指出[6]，美國印第安角核電廠、意大利加利格里阿諾核電廠、德國林根核電廠等國外核電廠均采用過依靠燃油加熱的核電廠二次側(cè)蒸汽再熱技術(shù)。

圖1表示了核氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)流程。在燃?xì)馀艢獬隹谔砑右慌_余熱鍋爐，充分利用燃?xì)廨啓C(jī)排放的熱能，利用燃?xì)廨啓C(jī)的高溫尾氣余熱（約580 ℃）對反應(yīng)堆二回路的飽和蒸汽進(jìn)行加熱，來提高核蒸汽發(fā)生器出口蒸汽的溫度，從而達(dá)到提高水冷堆發(fā)電效率的目的。針對大型壓水堆的仿真計算表明，聯(lián)合循環(huán)熱效率達(dá)到了47.11%，相比原核電機(jī)組提高了13.24%。

圖1　核氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)流程圖

3　核氣聯(lián)合循環(huán)技術(shù)方案

3.1　方案一

3.1.1系統(tǒng)基本工藝流程

方案一保持核島部分原設(shè)計不變、以供汽為主（見圖2）。

該項目方案一分為核島供汽系統(tǒng)與輔助電廠系統(tǒng)兩部分，其中核能供汽系統(tǒng)采用保留原有的一回路、中間回路系統(tǒng)；輔助電廠采用燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)的方式，其中燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組主要用來發(fā)電，余熱鍋爐用來吸收燃?xì)廨啓C(jī)尾氣余熱，產(chǎn)生低壓過熱蒸汽作為工業(yè)用汽，余熱鍋爐自除氧，不設(shè)置外置除氧器。本文假定供汽管道距離為10 km，并國內(nèi)先進(jìn)管道企業(yè)管道能耗數(shù)據(jù)選取溫降為2 ℃/km，選取20 ℃作為對外供應(yīng)蒸汽的過熱度。余熱鍋爐利用燃機(jī)排氣余熱，將補(bǔ)水（0.1 MPa，20 ℃）加熱到145 ℃飽和水，然后經(jīng)給水泵升壓送入核蒸發(fā)器繼續(xù)加熱至飽和蒸汽（1.6 MPa，201 ℃），再送入余熱鍋爐過熱器加熱，形成221 ℃過熱蒸汽對外供汽。

圖2　方案一系統(tǒng)流程圖

余熱鍋爐側(cè)具體的汽水流程如下：20 ℃除鹽水作為余熱鍋爐的補(bǔ)水，進(jìn)入鍋爐補(bǔ)水加熱器。為防止尾部受熱面低溫腐蝕，補(bǔ)水加熱器設(shè)置補(bǔ)水循環(huán)泵，從補(bǔ)水加熱器出口抽取加熱后的熱水循環(huán)到補(bǔ)水加熱器的進(jìn)口，以提高補(bǔ)水加熱器進(jìn)口受熱面內(nèi)的水溫；補(bǔ)水經(jīng)補(bǔ)水加熱器加熱后，進(jìn)入除氧器除氧，考慮到本項目核島整體的汽水流程，本項目低壓鍋筒兼具除氧鍋筒的功能（除氧一體化式）；除氧水通過水泵送入核蒸汽發(fā)生器加熱后，進(jìn)入余熱鍋爐過熱器加熱成過熱蒸汽外供。

3.1.2聯(lián)合循環(huán)主機(jī)選型及性能分析

根據(jù)與低溫堆聯(lián)合供熱所需的燃?xì)庥酂崃靠梢苑赐破ヅ涞娜細(xì)廨啓C(jī)機(jī)型，目前國內(nèi)外市場上與低溫堆熱力參數(shù)相匹配的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型有GE LM6000PF、Hitachi H25、SGT-700，均需少量燃?xì)庋a(bǔ)燃。本節(jié)從以下幾個評價指標(biāo)：設(shè)備投資、燃機(jī)參數(shù)、熱力系統(tǒng)熱平衡性能等對三種機(jī)型進(jìn)行對比分析。

各機(jī)型的燃機(jī)電廠設(shè)備投資對比如表1所示。

表1　燃機(jī)電廠設(shè)備投資

續(xù)表

考慮到本項目核島熱量綜合利用系統(tǒng)方案要求，分別選擇燃機(jī)發(fā)電功率30 MW（燃機(jī)型號為SGT700和H25）及42 MW（燃機(jī)型號為LM6000PF）的燃機(jī)對本系統(tǒng)進(jìn)行模擬布置。三種燃機(jī)的燃機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2　燃機(jī)電參數(shù)

利用Thermoflow公司的GT PRO燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)模擬軟件建立計算模型開展三種燃機(jī)的熱力系統(tǒng)熱平衡性能仿真。從系統(tǒng)模擬結(jié)果得出，為實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的參數(shù)要求，采用以上三種燃機(jī)均需要在余熱鍋爐入口煙道內(nèi)布置補(bǔ)燃器，用以調(diào)高余熱鍋爐的產(chǎn)量。

表3給出了幾種機(jī)型的性能對比。由表可見，幾種機(jī)型的凈工藝熱均保持一致，約為53 MW，煙氣排放溫度盡量考慮低溫充分利用余熱并且兼顧酸露點(diǎn)對煙道的腐蝕影響，基本都在90 ℃左右。其中，LM6000PF機(jī)型的發(fā)電總熱耗最低，因此，在滿足工藝用熱、設(shè)備總投資差異較小（見表 1）前提下，考慮到機(jī)組需要長期運(yùn)行發(fā)電供熱，從節(jié)能角度，該機(jī)型為本方案選取機(jī)型。

表3　性能對比

表4給出了選用LM6000 PF燃機(jī)的核氣聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)仿真結(jié)果，其可以作為熱力系統(tǒng)輔機(jī)選型的依據(jù)。表2、表3的計算結(jié)果表明，除燃機(jī)排氣熱量外，還需要0.316 t/h的補(bǔ)燃天然氣；為了保護(hù)傳熱管，鍋爐省煤器需配置再循環(huán)管線，再循環(huán)流量為141.3 t/h；與鍋爐集成的除氧器可以使系統(tǒng)更加緊湊、降低成本，用于除氧器加熱的循環(huán)流量為6.51 t/h。表4給出了工作介質(zhì)熱力參數(shù)。

表4　工作介質(zhì)熱力參數(shù)

綜上，與200 MW低溫供熱堆對應(yīng)的主機(jī)選型配置結(jié)果如表5所示。

這是一輛絲毫不會妥協(xié)的跑車，它的每一處細(xì)節(jié)都是對最終極運(yùn)動性能的詮釋，這其中最為典型的就是其所配備的空氣動力學(xué)套件。除此之外，自然吸氣V10發(fā)動機(jī)的嘶吼以及油門踏板的響應(yīng)也令我陶醉其中，不能自拔。毋庸置疑，它是整個車隊中最具魅力的，雖然并不好駕馭。

表5　主機(jī)配置

3.1.3方案一遠(yuǎn)期調(diào)整分析

由于下游工業(yè)用戶設(shè)施設(shè)計壽期與核動力廠設(shè)計壽期存在匹配性差異，以及工業(yè)用戶設(shè)施本身因技術(shù)進(jìn)步等原因轉(zhuǎn)型升級的不確定性，有必要對核常聯(lián)動技術(shù)方案進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整分析。考慮遠(yuǎn)期下游用戶需求不足情況下，擬減少對外供汽，多余出來的一部分蒸汽用于小汽機(jī)發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)不需調(diào)整，余熱鍋爐需進(jìn)行改造調(diào)整。改造分析圖如圖 3所示。

圖3　方案一系統(tǒng)流程圖

3.1.4靜態(tài)投資回收期經(jīng)濟(jì)性核算

表6對引入燃機(jī)電廠后的新增投資，新增對外供汽能力進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性核算?？紤]到其他費(fèi)用較低，現(xiàn)階段不予詳細(xì)考慮，僅作靜態(tài)投資回收期計算。計算結(jié)果表明，本技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)性較好。

表6　天然氣發(fā)電、供熱新增投資經(jīng)濟(jì)性核算

3.2　方案二

方案二考慮從中間回路取一部分高壓熱水用于提供輔助燃機(jī)電廠一部分熱能，中間回路循環(huán)水流量很大，為3 892.15 t/h，考慮與其配套的輔助電廠規(guī)模，一般可取300～600 t/h熱水用于輔助電廠，其余中間回路熱水仍然流向蒸發(fā)器，三回路與方案一基本一致。由于熱水焓升較低，該技術(shù)方案新增投資經(jīng)濟(jì)性主要取決于新增輔助燃機(jī)電廠。

方案二的主要優(yōu)勢在于可以提供高于1.6 MPa的中壓汽機(jī)抽汽經(jīng)換熱站對外供汽。該方案的詳細(xì)熱力學(xué)計算分析，本文不做深入介紹。

4　結(jié)論

本文比選了用于低溫供熱堆在內(nèi)的壓水堆飽和蒸汽繼續(xù)過熱的技術(shù)方案，仿真分析結(jié)果表明核氣聯(lián)合循環(huán)技術(shù)可以滿足對外蒸汽品質(zhì)提升要求，采用核常聯(lián)動技術(shù)方案為低溫供熱堆供汽項目帶來以下益處：

（2）冷水補(bǔ)水加熱不再依賴核熱能，對外供汽量大大提升；

（3）運(yùn)行靈活性提升。

燃?xì)廨啓C(jī)通常被用作電網(wǎng)調(diào)峰，啟停靈活快捷。配備了聯(lián)合循環(huán)后，可以通過燃機(jī)功率調(diào)節(jié)、汽機(jī)抽汽調(diào)節(jié)來調(diào)整對外的供汽量。

壓水堆核能可以提供大量汽化潛熱使水變成飽和蒸汽，所以低成本初級升溫是它的優(yōu)勢，后面利用成本高的天然氣為飽和蒸汽提供顯熱，主要用于提升品質(zhì)后的長距離運(yùn)輸，所以核能與天然氣構(gòu)成了優(yōu)勢互補(bǔ)。

以輸汽距離10 km及溫降2 ℃/km為例，為產(chǎn)生滿足用戶需要的蒸汽參數(shù)，使用的天然氣能量與核能之比為53:200，值得指出，由于采用天然氣煙氣余熱取代核能對除鹽水除氧，項目產(chǎn)汽能力還提升24.23%。計算結(jié)果表明，項目投資回收期較短，整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好。

［1］ 張曉東，等．低壓飽和蒸汽過熱技術(shù)的探討與應(yīng)用，化學(xué)工程與裝備［J］．2017，10：161-163．

［2］ 郝文濤，等．過熱蒸汽生產(chǎn)系統(tǒng)及過熱蒸汽生產(chǎn)方法［P］，中國，CN201910969853．9，2019-10-12

［3］ 賀平，等．供熱工程4版.［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［4］ Darwish M. A. et. al. Combining the nuclear power plant steam cycle with gas turbines．Energy［J］．2010，35：4562-4571．

［5］ Forsberg C W，Conklin J C. A nuclear-fossil combined- cycle power plant for base-load and peak electricity［J］．Transactions- American Nuclear Society，2007，96：683-684．

［6］ Florido P. E. et.al. Economics of combined nuclear–gas power generation［J］．Nuclear Engineering and Design，2000，195：109–115．

Study on the Steam Superheat Enhancement Technology of Pressurized Water Reactor

HOU Pingli，F(xiàn)U Yueming，LIN Run

（China Nuclear Power Design Co.，Ltd.，Shenzhen of Guangdong Prov. 518172，China）

Taking a steam supply project of the low-temperature heating reactor as case study, in order to improve the superheat of the external steam supply by the low-temperature heating reactor, a thermal system scheme of the nuclear-gas combined cycle is proposed. The system scheme is analyzed by the thermal system simulation software known as GT PRO. The calculation results provide the basis for the selection of the main engine of the nuclear-gas combined system. The developed technical scheme cannot only improve the steam supply, but also improve the external steam supply.

Pressurized water reactor; Nuclear-gas combined cycle; Steam supply; Thermal system

TL364+.4

A

0258-0918（2022）02-0255-07

2020-08-17

中廣核集團(tuán)2020小堆專項研發(fā)項目

侯平利（1976—），男，安徽蚌埠人，研究員級高級工程師，博士，現(xiàn)主要從事核能綜合利用方面研究