多級加熱在某海上熱電聯(lián)產(chǎn)方案優(yōu)化中的應(yīng)用

張臣剛 吳 偉 梁浩陽 董亞超 劉麗華

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518028）

0 引言

核能應(yīng)用于海上可以作為化石能源的替代能源，具備熱電聯(lián)產(chǎn)的功能，核能的蒸汽透平能產(chǎn)生200℃以上高溫蒸汽，可通過與生產(chǎn)水換熱向采油平臺(tái)供給熱能，以供海上石油開采使用，可有效提高海上石油采收率[1]，有利于推動(dòng)海上石油的高效開發(fā)。小型模塊化核反應(yīng)堆應(yīng)用于海上熱電聯(lián)產(chǎn)，其系統(tǒng)不僅需要適應(yīng)海洋條件，而且還需要適應(yīng)完全不同于陸上供暖和工業(yè)供汽的供熱應(yīng)用場景，為此需要進(jìn)行汽輪機(jī)和熱力系統(tǒng)的開發(fā)。

與電站汽輪機(jī)相比，船用汽輪機(jī)通常有較大的變工況范圍，所以設(shè)計(jì)時(shí)不僅要滿足額定的設(shè)計(jì)條件，還須考慮變工況運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性能[2]。船舶行業(yè)已經(jīng)有能夠適應(yīng)海洋傾斜搖擺條件的成熟汽輪機(jī)設(shè)計(jì)，只不過因?yàn)榇靶袠I(yè)對汽輪機(jī)的功能需求是用于船舶動(dòng)力，工作條件較為惡劣，汽輪機(jī)和熱力系統(tǒng)需要適應(yīng)工況變化快、變化幅度大、變化頻繁的特點(diǎn)，加上船舶艙段空間經(jīng)濟(jì)性和艙段質(zhì)量的限制，所以船舶汽輪機(jī)未見采用抽汽設(shè)計(jì)，熱力系統(tǒng)也未見采用回?zé)嵩O(shè)計(jì)，除氧器用汽通常取自新蒸汽。

而小型堆汽輪機(jī)和熱力系統(tǒng)用于海上熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)的對外供能生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)完全不同于船舶動(dòng)力，而是更接近于陸上供能生產(chǎn)的特點(diǎn)。為更好地提高產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)性，需要保持負(fù)荷長期基本穩(wěn)定運(yùn)行。另外，從反應(yīng)堆設(shè)計(jì)來講，反應(yīng)堆長期保持高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行也更有利于提高反應(yīng)堆運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，減少三廢排放。還有就是小型堆建在海上平臺(tái)對外供能，和船舶相比，海上平臺(tái)可布置空間更寬裕，有利于汽輪機(jī)采用抽汽設(shè)計(jì)。

該文對船舶汽輪機(jī)應(yīng)用于海上熱電聯(lián)產(chǎn)提出了優(yōu)化前的方案，將汽輪機(jī)上增設(shè)抽汽管線，用于凝給水加熱系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)的多級加熱，并提出了5個(gè)優(yōu)化后的方案，以方案4為例展示了熱平衡結(jié)算過程，通過計(jì)算結(jié)果對比分析得出結(jié)論。該文采用的輸入?yún)?shù)和系統(tǒng)配置都在實(shí)際堆型基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)處理，旨在更清楚地論述優(yōu)化方案，更直觀地展示產(chǎn)能計(jì)算結(jié)果，并更通用地論述優(yōu)化方法。

1 優(yōu)化前方案

1.1 優(yōu)化前輸入?yún)?shù)

二回路主要的輸入?yún)?shù)如下：反應(yīng)堆輸出新蒸汽溫度290.36℃、壓力4 MPa的微過熱蒸汽，主給水溫度145℃，反應(yīng)堆輸出熱功率250 MW，凝汽器壓力8 kPa，汽輪機(jī)級段效率0.7。注射通路主要的輸入?yún)?shù)如下：原水25℃，加壓壓力18 MPa，輸出熱水248.36℃。

1.2 優(yōu)化前方案流程圖

方案0是優(yōu)化前方案，如圖1所示。新蒸汽從反應(yīng)堆出來，該方案采用單缸單排汽純發(fā)電汽輪機(jī)，沒有抽汽，除氧器的汽源采用新蒸汽減壓而來，凝結(jié)水從凝汽器出來后直接通過凝結(jié)水泵送到除氧器，不設(shè)低壓加熱器。新蒸汽還作為末級供熱加熱器的汽源，供熱加熱器只設(shè)有一級，新蒸汽經(jīng)過供熱加熱器放熱后變成凝結(jié)水回到除氧器出口與除氧器出水匯合后，經(jīng)給水泵送回反應(yīng)堆。供熱介質(zhì)經(jīng)過供熱加壓泵加壓，并經(jīng)末級供熱加熱器加熱后輸出。

圖1 方案0流程圖

2 優(yōu)化后方案

方案1如圖2所示。采用單缸單排汽一級抽汽汽輪機(jī)，考慮將凝汽器作為供熱加熱的第一級，用汽輪機(jī)的抽汽同時(shí)供二級供熱加熱器和除氧器，用新蒸汽供末級供熱加熱器，疏水逐級自流直到最后一級排放到凝汽器（其他方案同樣如此，后文略）。供熱介質(zhì)經(jīng)過供熱加壓泵加壓，并分別流經(jīng)凝汽器、二級供熱加熱器和末級供熱加熱器加熱后輸出（其他方案同樣類似，后文略）。

圖2 方案1圖

方案2如圖3所示。同樣采用單缸單排汽一級抽汽汽輪機(jī)，將凝汽器作為供熱加熱的第一級，用汽輪機(jī)的抽汽同時(shí)供二級供熱加熱器和一級低壓加熱器，用新蒸汽供除氧器和末級供熱加熱器。

圖3 方案2圖

方案3如圖4所示。采用單缸單排汽兩級抽汽汽輪機(jī)，將凝汽器作為供熱加熱的第一級，用汽輪機(jī)的一級抽汽同時(shí)供二級供熱加熱器和一級低壓加熱器，用汽輪機(jī)的二級抽汽同時(shí)供三級供熱加熱器和除氧器，用新蒸汽供末級供熱加熱器。

圖4 方案3圖

方案4如圖5所示。采用單缸單排汽三級抽汽汽輪機(jī)，將凝汽器作為供熱加熱的第一級，用汽輪機(jī)的一級抽汽同時(shí)供二級供熱加熱器和一級低壓加熱器，用汽輪機(jī)的二級抽汽同時(shí)供三級供熱加熱器和二級低壓加熱器，用汽輪機(jī)的三級抽汽同時(shí)供四級供熱加熱器和除氧器，用新蒸汽供末級供熱加熱器。

圖5 方案4圖

方案5如圖6所示。采用單缸單排汽三級抽汽汽輪機(jī)，將凝汽器作為供熱加熱的第一級，用汽輪機(jī)的一級抽汽同時(shí)供二級供熱加熱器和一級低壓加熱器，用汽輪機(jī)的二級抽汽同時(shí)供供三級熱加熱器和除氧器，用汽輪機(jī)的三級抽汽供四級供熱加熱器，用新蒸汽供末級供熱加熱器。

圖6 方案5圖

3 熱平衡計(jì)算及方案比較

3.1 熱平衡計(jì)算

為適當(dāng)簡化計(jì)算，熱平衡計(jì)算中做了如下主要假設(shè)條件和輸入：忽略所有管道、閥門和供熱通路換熱器壓損；忽略汽輪機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的損失；忽略管殼式換熱器傳熱損失；忽略汽輪機(jī)末級余速損失；所有方案汽輪機(jī)的級段效率不變，均為0.7；換熱器傳熱端差按照經(jīng)驗(yàn)估算；疏水考慮經(jīng)疏水冷卻器冷卻后以比加熱器管側(cè)進(jìn)口溫度高5℃的溫度排放到下一級。

熱平衡計(jì)算采用聯(lián)立熱平衡方程的方法進(jìn)行，即首先擬定原則性熱力系統(tǒng)圖，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和接口參數(shù)確定各設(shè)備進(jìn)、出口和各管段的已知熱力參數(shù)，確定合理可行的抽汽壓力。根據(jù)汽輪機(jī)的級段效率確定汽輪機(jī)蒸汽做功的熱力過程線，求解出汽輪機(jī)各級段的實(shí)際比焓降和抽汽的比焓。然后假設(shè)各用汽設(shè)備的蒸汽流量和供熱熱水流量為求解未知量，分別對除氧器、低壓加熱器和供熱加熱器建立熱平衡方程。發(fā)電功率等于汽輪機(jī)各級段做功功率（比焓降乘以流量）之和。這樣，如果知道汽輪機(jī)做功功率，就能夠得到一個(gè)流量相關(guān)的方程。聯(lián)立求解上述所有方程，即可完成熱平衡計(jì)算并得到產(chǎn)能結(jié)果。

該文以方案4為例說明熱平衡計(jì)算過程，其他方案的計(jì)算依此類推，計(jì)算用管段標(biāo)注如圖7所示。

圖7中各管段所取參數(shù)見表1。

圖7 方案4計(jì)算用管段標(biāo)注

表1 管段計(jì)算參數(shù)

流量之間的關(guān)系方程如公式（1）所示。

對除氧器建立方程，如公式（2）所示。

對二級低壓加熱器建立方程，如公式（3）所示。

對一級低壓加熱器建立方程，如公式（4）所示。

對末級供熱加熱器建立方程，如公式（5）所示。

對四級供熱加熱器建立方程，如公式（6）所示。

對三級供熱加熱器建立方程，如公式（7）所示。

對二級供熱加熱器建立方程，如公式（8）所示。

根據(jù)發(fā)電功率建立方程，如公式（9）所示。

聯(lián)立上述9個(gè)方程即可解得各未知流量，進(jìn)而完成熱平衡計(jì)算。

3.2 方案比較

產(chǎn)能計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 各方案供熱產(chǎn)能結(jié)果匯總

方案比較：1）從方案1～5與方案0的比較，可見汽輪機(jī)采用抽汽設(shè)計(jì)用于多級加熱，能夠顯著提高產(chǎn)能。2）從方案1與方案0的比較，方案3、方案5與方案2的比較，可見在同樣的凝給水加熱級數(shù)的情況下，增加供熱加熱級數(shù)能顯著提高供熱產(chǎn)能。3）從方案2與方案1的比較，方案4與方案5的比較，可見在同樣供熱加熱級數(shù)的情況下，增加凝給水加熱級數(shù)能顯著提高供熱產(chǎn)能。

4 結(jié)語

海上熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)的工作條件不同于船用汽輪機(jī)，針對性地開發(fā)具備抽汽用于多級加熱的專用汽輪機(jī)，并設(shè)計(jì)與之配套的熱力系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)，能夠大幅度提高產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)性。

雖然總的來講供熱加熱級數(shù)和凝給水加熱級數(shù)越多越有利于提高產(chǎn)能，但每級供熱加熱的溫升決定了加熱級數(shù)，除了經(jīng)凝汽器的加熱溫升外，其他每級經(jīng)驗(yàn)溫升一般不宜低于30℃，這樣供熱加熱的理論最高加熱級數(shù)為8級左右。同樣，受到給水溫度和每級加熱溫升的限制，凝給水最高加熱級數(shù)為3級左右。

海上汽輪機(jī)一般容量較小，汽缸抽汽開口太多將增加設(shè)計(jì)和布置的難度，應(yīng)結(jié)合實(shí)際確定合理抽汽級數(shù)和多級加熱級數(shù)。