壓水堆核電站工業(yè)供汽系統(tǒng)技術(shù)可行性研究

張玉禎，廖佰鳳，汪靜，陳曉娟

（東方電氣(廣州)重型機器有限公司,廣東 廣州 511455）

鋼鐵、石油、化工等行業(yè)對蒸汽需求量大，這些企業(yè)是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和發(fā)展的重要支持性企業(yè)。為支持實現(xiàn)國家“碳達峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標，“十四五”是中國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的關(guān)鍵時期，探索這些重點高排放企業(yè)的減排方案是目前迫切的行動項次。

核能技術(shù)在中國已得到廣泛成熟地發(fā)展，是一種公認的安全可靠的零碳排放清潔能源，國內(nèi)多家企業(yè)已開展了“碳中和”目標性核能的發(fā)展策略研究[1-3]，研究核能作為綠色能源更廣泛的服務(wù)于社會能源需求的可能性；俄羅斯已在核能供熱技術(shù)方面開展了深入的研究[4]；我國也開展了相關(guān)的研究，探討核能集中供熱的技術(shù)可行性[5-10]；國電投集團以AP1000 核電機組為例，深入地研究了核電汽輪機抽汽供民用采暖供熱方案的可行性[11-13]；以上的這些研究重點在于利用核能為周邊居民提供采暖用熱水，我國目前還沒有核能供工業(yè)蒸汽技術(shù)方面的研究成果。

壓水堆一回路是含放射性物質(zhì)的高壓水，考慮到運行人員及周圍環(huán)境的安全性，不能直接利用壓水堆一回路的熱量；壓水堆二回路中從蒸汽發(fā)生器中出來的主蒸汽參數(shù)為5.3 MPa，267.6 ℃[3],如直接用二回路低壓缸排汽作為工業(yè)供汽，將導(dǎo)致二回路介質(zhì)流失或因流經(jīng)過長的管道回收的水質(zhì)不滿足電廠要求。本文借鑒壓水堆核電站廠內(nèi)用蒸汽轉(zhuǎn)換技術(shù)方案[14]，考慮增加一個專門的工業(yè)用汽回路，用核電廠的二回路蒸汽作為熱源，產(chǎn)生工業(yè)用汽回路的蒸汽作為工業(yè)供汽。

1 蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工藝流程布置

如果用主蒸汽熱源來將常溫工業(yè)用水直接加熱到250 ℃的工業(yè)用蒸汽，從熱力學(xué)第二定律來看，將造成大量的熵增和?損，熱量品質(zhì)下降，熱效率低。另外，常溫工業(yè)用水中溶解有大量礦物質(zhì)和氧氣，在加熱蒸發(fā)過程中礦物質(zhì)和氧氣將解析出來，如果直接加熱成蒸汽，解析出的礦物質(zhì)將集聚在設(shè)備表面，形成一層厚厚的污垢，將影響到設(shè)備的換熱性能，由于污垢與設(shè)備材料的差異，也將影響設(shè)備的性能和壽命；加熱蒸發(fā)過程中解析出來的大量氧氣將腐蝕設(shè)備的碳鋼材料，加速設(shè)備的損壞，影響設(shè)備的壽命；另一方面，若直接將進口溫度為常溫的水加熱到250 ℃的蒸汽，設(shè)備各部分的溫差大，熱應(yīng)力和熱沖擊大，不利于設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

因此，利用壓水堆二回路熱源產(chǎn)生1.8 MPa、250 ℃的工業(yè)用汽的蒸汽轉(zhuǎn)換工藝應(yīng)綜合考慮熱的利用率、設(shè)備的安全性及經(jīng)濟性。

工業(yè)供水回路通過兩級水泵進行升壓，第一級泵位于供水入口，將水升壓到除氧器工作壓力，第二級泵位于除氧器的出口，目的是將水進一步升壓至需求的供汽壓力及克服管道的壓損。分級升壓有三個好處，首先，分級升壓有利于降低泵的單機負荷，提高泵的可靠性；其次，分級升壓可以降低除氧器加熱蒸汽壓力，加熱蒸汽可以是來自已做過部分功的低壓缸抽汽，實現(xiàn)熱源的分級利用；最后，可降低除氧器及一級預(yù)熱器的工作壓力，從而節(jié)省除氧器及一級預(yù)熱器的設(shè)備成本。

工業(yè)供熱回路的冷凝回水經(jīng)泵1 后進入一級預(yù)熱器，一級預(yù)熱器的目的是利用較低溫度的加熱蒸汽疏水余熱，將工業(yè)供水加熱到接近除氧器飽和溫度，因此可減少除氧器的蒸汽消耗量，提高熱量的利用效率。

從除氧器出來的飽和水經(jīng)二級泵加壓后過冷度約為90 ℃，如直接進入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內(nèi)部需設(shè)置預(yù)熱段，將使蒸發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換熱性能差。因此，設(shè)置了外置式二級預(yù)熱器，二級預(yù)熱器是利用蒸發(fā)器排出的疏水的余熱將水加熱到接近工作壓力1.82 MPa 下的飽和溫度。為維持水在管道中的穩(wěn)定流動，消除汽蝕，二級預(yù)熱器出口水溫應(yīng)至少預(yù)留5 ℃的過冷度。

二級預(yù)熱器出口水進入蒸發(fā)器殼體，吸收加熱蒸汽凝結(jié)熱而轉(zhuǎn)化為蒸汽，在蒸發(fā)器中，為大空間沸騰換熱，出口的蒸汽為飽和蒸汽，溫度為207.6 ℃。

因蒸發(fā)器的加熱蒸汽凝結(jié)水的飽和溫度比殼側(cè)的蒸汽溫度高50 ℃，為充分利用疏水余熱，將蒸發(fā)器設(shè)置為兩級，一級蒸發(fā)器為利用疏水余熱進行加熱蒸發(fā)產(chǎn)生工業(yè)蒸汽，二級蒸發(fā)器為加熱蒸汽凝結(jié)換熱產(chǎn)生工業(yè)蒸汽，一級蒸發(fā)器和二級換熱器的殼側(cè)工業(yè)蒸汽管道為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，管程的熱源流體管道為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。為簡化管道的布置，節(jié)省設(shè)備成本，一級和二級蒸發(fā)器在設(shè)備設(shè)計時也可融合設(shè)計到一個殼體中。

為得到工業(yè)所需的250 ℃的過熱蒸汽，還需要設(shè)置過熱器進行進一步換熱，加熱蒸汽為壓水堆二回路中蒸汽發(fā)生器的主蒸汽（參數(shù)為5.3 MPa，267.6 ℃）。

分級加熱的蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工藝流程如圖1 所示。

圖1 蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 The process of steam conversion system

2 蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)熱力參數(shù)計算方法

2.1 加熱蒸汽消耗量計算

為論證上一章節(jié)布置的蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可行性，需要依據(jù)能量守恒原理計算加熱蒸汽消耗量以及各個設(shè)備的熱力參數(shù)，確保各設(shè)備的熱力參數(shù)符合熱力學(xué)第二定律。

對于本文論證的蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，已知的條件是加熱蒸汽溫度和壓力，工業(yè)用汽壓力、溫度和流量，工業(yè)供水為常溫常壓自來水。

為計算蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的蒸汽消耗量，需要先假設(shè)加熱蒸汽側(cè)的最終疏水溫度。疏水溫度越高，越有利于各換熱器的換熱，但將消耗更多的蒸汽，不利于蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的熱效率。疏水溫度越低，雖然有利于提高蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的熱效率，但換熱設(shè)備的端差過小，將增加換熱設(shè)備的成本。參考相關(guān)文獻[15]，水-水換熱器的最小端差為5 ℃，汽-汽換熱器的最小端差為15 ℃。

加熱蒸汽消耗量由以下熱平衡公式（1）計算：

式中：

hco——冷側(cè)流體出口焓值（kJ/kg）；

hci——冷側(cè)流體進口焓值（kJ/kg）；

hhi——熱側(cè)流體入口焓值（kJ/kg）；

hho——熱側(cè)流體出口焓值（kJ/kg）；

wc——冷側(cè)流體流量（kg/s）；

wh——熱側(cè)流體流量（kg/s）；

η——蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)熱效率，即工業(yè)用蒸汽回路吸熱與加熱蒸汽放熱之比。

2.2 換熱設(shè)備熱力參數(shù)計算

對于各換熱設(shè)備的熱力參數(shù)，根據(jù)運行經(jīng)驗及各設(shè)備的工作機理，可確定如下參數(shù)：為避免工業(yè)管道的汽蝕，推薦除氧器進口工業(yè)供水過冷度為20 ℃[16]；蒸發(fā)器入口水過冷度為5 ℃；二級蒸發(fā)器的加熱蒸汽出口為飽和水。

對于一級預(yù)熱器，已知工業(yè)供水壓力、出水過冷度、進水溫度、工業(yè)供水流量以及熱側(cè)疏水出口溫度，根據(jù)已知的水的溫度和壓力可查水的物性參數(shù)表獲得工業(yè)供水側(cè)進出口及疏水出口比焓，由此可根據(jù)能量守恒公式（2），計算出熱側(cè)疏水入口焓值，由焓值和壓力即可查水物性表獲得溫度參數(shù)。

式中各變量含義與公式（1）相同。

對于二級預(yù)熱器，已知冷側(cè)流體壓力、進口焓值、出口水過冷度、流體流量以及熱側(cè)疏水出口焓值，同樣根據(jù)能量守恒公式可計算二級預(yù)熱器熱側(cè)疏水入口焓值，由焓值和壓力即可查水物性表獲得疏水入口溫度參數(shù)。

對于過熱器，已知冷側(cè)流體壓力、進口焓值、出口蒸汽溫度、流體流量以及熱側(cè)加熱蒸汽進口溫度、壓力，出口焓值，根據(jù)能量守恒公式（3）可計算過熱器熱側(cè)流體出口焓值，由焓值和壓力即可查水物性表獲得熱側(cè)流體出口溫度。

3 計算結(jié)果

本文以工業(yè)蒸汽需求量300 t/h，蒸汽壓力為1.8 MPa，蒸汽溫度為250 ℃，加熱蒸汽為壓水堆二回路中蒸汽發(fā)生器的主蒸汽（參數(shù)為5.3 MPa，267.6 ℃）為例，分別計算了熱側(cè)疏水最終溫度為65 ℃、70 ℃、80 ℃的熱力參數(shù)，加熱蒸汽耗汽量計算結(jié)果如表1所示，各設(shè)備的流體溫度值如圖2～圖4 所示。

表1 加熱蒸汽耗汽量與疏水溫度的關(guān)系表Tab.1 The relationship between required heat steam and drain temperature

圖2 疏水溫度為65 ℃時各換熱設(shè)備的流體溫度Fig.2 The fluid temperature of exchange at 65 ℃ drain temperature

圖4 疏水溫度為80 ℃時各換熱設(shè)備的流體溫度Fig.4 The fluid temperature of exchange at 80 ℃ drain temperature

4 結(jié)果討論

由熱力學(xué)第二定律可知，對于換熱器而言，為使熱量從壓水堆二回路蒸汽（熱源流體）傳遞給工業(yè)供汽回路（冷源流體），熱源流體的溫度應(yīng)始終高于冷源流體的溫度。本文計算考慮的疏水溫度在65～80 ℃的范圍均符合熱力學(xué)第二定律的要求。

由表1 可知，如將熱源疏水溫度從80 ℃降低到65 ℃，加熱蒸汽消耗量從348.5 kg/s 降低到340.0 kg/s，加蒸汽耗汽量相對減少了2.5%，降低熱源疏水溫度，可減少加熱蒸汽的消耗量，提高了蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

由圖3～圖4 可知，設(shè)備的最小端差位置是在二級預(yù)熱器的下端差（熱流體入口溫度與冷流體出口溫度之差）以及一級蒸發(fā)器的上端差（熱流體出口溫度與冷流體入口溫度之差）。

圖3 疏水溫度為70 ℃時各換熱設(shè)備的流體溫度Fig.3 The fluid temperature of exchange at 70 ℃ drain temperature

當疏水溫度為80 ℃時，最小端差值為15.4 ℃；當疏水溫度為65 ℃，最小端差值為5.4 ℃；疏水溫度從80 ℃降低到65 ℃，將導(dǎo)致二級預(yù)熱器的傳熱溫差減少為1/3，在其他條件不變的情況下，疏水溫度為65 ℃時二級預(yù)熱器需要的換熱面積約為疏水溫度為80 ℃時的3 倍，其他換熱器面積也將成倍的增加。

由以上結(jié)果可知，蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)最低疏水溫度為65 ℃，如繼續(xù)降低疏水溫度，最小端差值將小于5 ℃，疏水溫度如降低2 ℃，二級預(yù)熱器設(shè)備換熱面積將增加一倍，而且結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜，設(shè)備成本增加。如疏水溫度降低到60 ℃，在二級預(yù)熱器中將出現(xiàn)熱源溫度低于冷源溫度的情況，將違背熱力學(xué)第二定律，該系統(tǒng)技術(shù)上不可行。

5 結(jié)論

本文研究了利用壓水堆核電站二回路蒸汽進行加熱產(chǎn)生工業(yè)用汽的蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方案具備技術(shù)可行性，以某壓水堆參數(shù)為例，假設(shè)加熱蒸汽參數(shù)為5.3 MPa，267.6 ℃，工業(yè)用汽參數(shù)為1.8 MPa、250 ℃、300 t/h，可得出以下結(jié)論：

蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置預(yù)熱器、除氧器、蒸發(fā)器以及過熱器等設(shè)備進行分級加熱，對熱源進行分級利用，不僅可提高加熱蒸汽的有效利用率，而且可提高設(shè)備運行的安全性。

降低疏水溫度可減少加熱蒸汽的消耗量，可提高蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的經(jīng)濟性，但將增加設(shè)備的成本。

計算結(jié)果顯示，熱源疏水溫度最合理值為65 ℃，如疏水溫度低于60 ℃，在二級預(yù)熱器中將出現(xiàn)熱源溫度低于冷源溫度的情況，將違背熱力學(xué)第二定律。