壓水堆對外供應蒸汽品質提升技術研究

侯平利，付月明，林　潤

壓水堆對外供應蒸汽品質提升技術研究

侯平利，付月明，林潤

（深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172）

以提升壓水堆對外供汽品質為目的，以某低溫供熱堆供汽項目為研究對象，運用核氣聯合循環原理，以核為主要動力，燃氣作為輔助助力，提出了核常聯動熱力系統方案。在假定輸汽距離下，通過GT PRO燃氣-蒸汽聯合循環系統模擬軟件對該系統方案進行了分析，并開展了核常聯動系統主機選型，計算結果表明所開發的技術方案不僅可以提升壓水堆外供蒸汽品質，還具有提升供汽項目對外供汽量的效果。

低溫供熱堆；核氣聯合循環；供汽；熱力系統

近年來，核能供熱成為國內外核能行業研究開發熱點。壓水堆蒸汽發生器所產蒸汽為飽和蒸汽，如某型低溫供熱壓水堆蒸汽發生器產生的蒸汽為201 ℃飽和蒸汽。如采用飽和蒸汽進行長距離輸送，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，為了保障末端企業用戶的蒸汽壓力和溫度，管道用材及保溫材料都需加強；

（2）因管道熱損失極易導致冷凝水產生并大量聚集，因此每隔30～50 m就必須布置疏水點，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，變成凝結水+蒸汽，氣液兩相易引起管道振動，產生水擊現象，水擊現象嚴重時可導致管道劇烈震動、支架脫落，甚至管道破裂引發重大安全事故，若電廠所在地形起伏不定，水擊現象更容易形成水錘，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、輸送經濟性都無法控制。需增加投資和運行管理費用，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采用過熱蒸汽進行長距離輸送。采用過熱蒸汽輸送，沿程熱損失更小，更節約能源，同時也更安全。因此，考慮在低溫供熱堆蒸汽出口處熱網設置加熱站將飽和蒸汽加熱成過熱蒸汽，再進行輸送。本文首先對現有飽和蒸汽繼續過熱蒸汽生產工藝進行調查、比選，然后開發適合此型低溫供熱堆的過熱蒸汽生產系統。

1　飽和蒸汽繼續過熱技術比選

飽和蒸汽過熱技術的使用并不廣泛，較少的實際應用案例出現于石油化工、鋼鐵企業[1]，用于副產飽和蒸汽的品質提升，在核能行業，文獻[2]提出了一種利用一次側上游的蒸汽過熱器將蒸汽發生器的飽和蒸汽繼續過熱的技術，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流程包括給水預熱、蒸發成飽和蒸汽、蒸汽過熱等環節，可以使高溫加熱介質的溫度降低到合理水平。根據熱力學第一定律，從一次能源生產開始，經過轉化、運輸、分配、直到用戶用的全過程都是功與能的轉換過程。在這個過程當中雖然依據能量守恒，能量總和保持不變，但能量品質和能級可以發生變化。

在集中供熱系統中，熱電廠、區域鍋爐房可作為較大型的熱源使用；地熱、工業余熱、太陽能、地源熱泵和直燃機等可作為小型區域供熱熱源[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，為了保證生活熱水的供應質量，輔助熱源應根據當地條件，選擇城市熱網、電、煤、燃氣、燃油、工業余熱或者生物質燃料等。加熱/換熱設備選擇各類鍋爐、換熱器和熱泵等。溫度較高的一般選用電加熱、鍋爐、熱電聯產等技術。

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，經濟性變差。燃油、燃氣鍋爐及直燃機通常在環保要求高、電力供應緊張的地區使用，由于燃油燃氣鍋爐的運行費用很高，需根據當地能源供應狀況做好經濟等多方面分析工作。

《供熱工程》[3]一書中指出，從我國目前的能源結構與技術條件來看，應大力發展熱電聯產集中供熱。該文獻還指出，電是寶貴的二次能源，并且我國電的來源絕大多數是火電廠，雖然電鍋爐的熱效率高，但在電廠由煤轉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節。從能源的轉化與利用角度來看，單純采用電鍋爐采暖是極大的浪費行為。電鍋爐用于采暖的唯一好處是可以對電網起到削減峰谷差的作用，有利于電廠的平穩運行。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。從該文獻的建議可以看出，電加熱、蒸汽過熱爐（以燃氣為燃料）技術都是該書所不推薦的技術。

2016年，由發改委牽頭，能源局、財政部、住建部、環保部共同發布了《熱電聯產管理辦法》，明確提出了建設燃氣聯合循環熱電聯產項目，實現蒸汽的梯級利用，并規定工業用汽型聯合循環項目全年熱電比不低于40%的要求。

因此本文推薦采用燃氣輪機熱電聯產作為飽和蒸汽繼續過熱的技術。在學術界，一般把燃氣輪機熱電聯產與核能耦合的技術稱為“核氣聯合循環”，也可以叫作“核常聯供”技術，其利用燃氣輪機排煙余熱提升小型壓水堆蒸發器的蒸汽參數，使低溫供熱堆在內的小型壓水堆滿足廣泛的工業蒸汽需求。

2　核氣聯合循環技術簡介

壓水堆核電系統主蒸汽參數較低，汽輪機工作環境惡劣，循環熱效率較低。如果能將化學能有機地嵌入核電廠二回路，溫度對口、梯級利用，成為一種協同高效發電的雙燃料混合能源電站，正順應了這樣一種時代需求。從1970年以來，企業界及學術界的很多研究者都對燃氣輪機聯合循環和壓水堆核能轉換系統結合方案及其經濟性進行了研究分析[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蒸汽再熱技術。

圖1表示了核氣聯合循環系統流程。在燃氣排氣出口添加一臺余熱鍋爐，充分利用燃氣輪機排放的熱能，利用燃氣輪機的高溫尾氣余熱（約580 ℃）對反應堆二回路的飽和蒸汽進行加熱，來提高核蒸汽發生器出口蒸汽的溫度，從而達到提高水冷堆發電效率的目的。針對大型壓水堆的仿真計算表明，聯合循環熱效率達到了47.11%，相比原核電機組提高了13.24%。

圖1　核氣聯合循環系統流程圖

3　核氣聯合循環技術方案

3.1　方案一

3.1.1系統基本工藝流程

方案一保持核島部分原設計不變、以供汽為主（見圖2）。

該項目方案一分為核島供汽系統與輔助電廠系統兩部分，其中核能供汽系統采用保留原有的一回路、中間回路系統；輔助電廠采用燃氣輪機聯合循環的方式，其中燃氣輪機發電機組主要用來發電，余熱鍋爐用來吸收燃氣輪機尾氣余熱，產生低壓過熱蒸汽作為工業用汽，余熱鍋爐自除氧，不設置外置除氧器。本文假定供汽管道距離為10 km，并國內先進管道企業管道能耗數據選取溫降為2 ℃/km，選取20 ℃作為對外供應蒸汽的過熱度。余熱鍋爐利用燃機排氣余熱，將補水（0.1 MPa，20 ℃）加熱到145 ℃飽和水，然后經給水泵升壓送入核蒸發器繼續加熱至飽和蒸汽（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　方案一系統流程圖

余熱鍋爐側具體的汽水流程如下：20 ℃除鹽水作為余熱鍋爐的補水，進入鍋爐補水加熱器。為防止尾部受熱面低溫腐蝕，補水加熱器設置補水循環泵，從補水加熱器出口抽取加熱后的熱水循環到補水加熱器的進口，以提高補水加熱器進口受熱面內的水溫；補水經補水加熱器加熱后，進入除氧器除氧，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生器加熱后，進入余熱鍋爐過熱器加熱成過熱蒸汽外供。

3.1.2聯合循環主機選型及性能分析

根據與低溫堆聯合供熱所需的燃氣余熱量可以反推匹配的燃氣輪機機型，目前國內外市場上與低溫堆熱力參數相匹配的燃氣輪機機型有GE LM6000PF、Hitachi H25、SGT-700，均需少量燃氣補燃。本節從以下幾個評價指標：設備投資、燃機參數、熱力系統熱平衡性能等對三種機型進行對比分析。

各機型的燃機電廠設備投資對比如表1所示。

表1　燃機電廠設備投資

續表

考慮到本項目核島熱量綜合利用系統方案要求，分別選擇燃機發電功率30 MW（燃機型號為SGT700和H25）及42 MW（燃機型號為LM6000PF）的燃機對本系統進行模擬布置。三種燃機的燃機參數如表2所示。

表2　燃機電參數

利用Thermoflow公司的GT PRO燃氣-蒸汽聯合循環系統模擬軟件建立計算模型開展三種燃機的熱力系統熱平衡性能仿真。從系統模擬結果得出，為實現整個系統的參數要求，采用以上三種燃機均需要在余熱鍋爐入口煙道內布置補燃器，用以調高余熱鍋爐的產量。

表3給出了幾種機型的性能對比。由表可見，幾種機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對煙道的腐蝕影響，基本都在90 ℃左右。其中，LM6000PF機型的發電總熱耗最低，因此，在滿足工藝用熱、設備總投資差異較小（見表 1）前提下，考慮到機組需要長期運行發電供熱，從節能角度，該機型為本方案選取機型。

表3　性能對比

表4給出了選用LM6000 PF燃機的核氣聯合循環熱力系統仿真結果，其可以作為熱力系統輔機選型的依據。表2、表3的計算結果表明，除燃機排氣熱量外，還需要0.316 t/h的補燃天然氣；為了保護傳熱管，鍋爐省煤器需配置再循環管線，再循環流量為141.3 t/h；與鍋爐集成的除氧器可以使系統更加緊湊、降低成本，用于除氧器加熱的循環流量為6.51 t/h。表4給出了工作介質熱力參數。

表4　工作介質熱力參數

綜上，與200 MW低溫供熱堆對應的主機選型配置結果如表5所示。

這是一輛絲毫不會妥協的跑車，它的每一處細節都是對最終極運動性能的詮釋，這其中最為典型的就是其所配備的空氣動力學套件。除此之外，自然吸氣V10發動機的嘶吼以及油門踏板的響應也令我陶醉其中，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　主機配置

3.1.3方案一遠期調整分析

由于下游工業用戶設施設計壽期與核動力廠設計壽期存在匹配性差異，以及工業用戶設施本身因技術進步等原因轉型升級的不確定性，有必要對核常聯動技術方案進行適應性調整分析。考慮遠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發電，燃氣輪機不需調整，余熱鍋爐需進行改造調整。改造分析圖如圖 3所示。

圖3　方案一系統流程圖

3.1.4靜態投資回收期經濟性核算

表6對引入燃機電廠后的新增投資，新增對外供汽能力進行了經濟性核算。考慮到其他費用較低，現階段不予詳細考慮，僅作靜態投資回收期計算。計算結果表明，本技術方案經濟性較好。

表6　天然氣發電、供熱新增投資經濟性核算

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電廠一部分熱能，中間回路循環水流量很大，為3 892.15 t/h，考慮與其配套的輔助電廠規模，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器，三回路與方案一基本一致。由于熱水焓升較低，該技術方案新增投資經濟性主要取決于新增輔助燃機電廠。

方案二的主要優勢在于可以提供高于1.6 MPa的中壓汽機抽汽經換熱站對外供汽。該方案的詳細熱力學計算分析，本文不做深入介紹。

4　結論

本文比選了用于低溫供熱堆在內的壓水堆飽和蒸汽繼續過熱的技術方案，仿真分析結果表明核氣聯合循環技術可以滿足對外蒸汽品質提升要求，采用核常聯動技術方案為低溫供熱堆供汽項目帶來以下益處：

（2）冷水補水加熱不再依賴核熱能，對外供汽量大大提升；

（3）運行靈活性提升。

燃氣輪機通常被用作電網調峰，啟停靈活快捷。配備了聯合循環后，可以通過燃機功率調節、汽機抽汽調節來調整對外的供汽量。

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，主要用于提升品質后的長距離運輸，所以核能與天然氣構成了優勢互補。

以輸汽距離10 km及溫降2 ℃/km為例，為產生滿足用戶需要的蒸汽參數，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，項目產汽能力還提升24.23%。計算結果表明，項目投資回收期較短，整體技術經濟性較好。

［1］ 張曉東，等．低壓飽和蒸汽過熱技術的探討與應用，化學工程與裝備［J］．2017，10：161-163．

［2］ 郝文濤，等．過熱蒸汽生產系統及過熱蒸汽生產方法［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，FU 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2020小堆專項研發項目

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