多堆熱電聯(lián)供兩例技術(shù)方案比較

張臣剛

摘 要：在同一熱電廠多個核反應(yīng)堆熱電聯(lián)供的情況下，采用什么樣的供熱方案對產(chǎn)能影響比較大，本文在相同的供熱負(fù)荷曲線和相同的PH容量的情況下，對比了6臺機(jī)組兩例技術(shù)方案的熱電產(chǎn)能，從計(jì)算結(jié)果可見多臺機(jī)組的BH及PH互相串聯(lián)后再接入熱網(wǎng)的方式能夠明顯提高產(chǎn)能，這是因?yàn)椴捎眠@種方式最大限度地降低了對熱源蒸汽的參數(shù)要求，使之在用于加熱之前可以更多地在汽輪機(jī)內(nèi)做功。

關(guān)鍵詞：小型堆 熱電聯(lián)產(chǎn) 多堆 技術(shù)方案比較

中圖分類號：TK47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0099-04

進(jìn)入21世紀(jì)以來，小型核反應(yīng)堆以安全性高、經(jīng)濟(jì)性良好和應(yīng)用靈活的優(yōu)點(diǎn)[1]，得到了全世界范圍內(nèi)的高度關(guān)注，研究和開發(fā)小型堆已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)并不斷取得階段性成果，小型堆應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)是其重要的應(yīng)用方向之一，其安全性可以做到從設(shè)計(jì)上不用考慮設(shè)置事故后的應(yīng)急響應(yīng)區(qū)，這非常有利于大面積推廣使用。核能供熱已在許多供熱發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益[2]。

我國北方城市供暖期最長只有6個月，如果采用單純供熱模式，經(jīng)濟(jì)競爭力較差，因此，小型堆供能更適合于采用熱電聯(lián)供的模式[3]。本文以兩例技術(shù)方案的產(chǎn)能分析和計(jì)算，探討了在多機(jī)組布置的情況下如何充分發(fā)揮小型堆技術(shù)方案靈活的特點(diǎn)。

1 基本條件

6臺小型核反應(yīng)堆機(jī)組，單個反應(yīng)堆核島熱功率為200MWt，每個堆作為熱源向基本負(fù)荷加熱器BH供熱，單臺尖峰加熱器PH的容量為29MWt，在極寒尖峰負(fù)荷時(shí)候，熱網(wǎng)熱水/回水溫度分別為130℃/30℃，在熱網(wǎng)采用分布式熱泵回收回水熱量的情況下，回水溫度為30℃是可以實(shí)現(xiàn)的。在機(jī)組抽汽供熱的情況下，抽汽輸送管道壓力損失按照8%考慮，熱端差為5℃。在沒有滿負(fù)荷供熱的情況下，發(fā)電能力比滿負(fù)荷時(shí)候的發(fā)電能力高，提高的發(fā)電能力按照熱負(fù)荷率線性變化考慮。

計(jì)算采用的熱負(fù)荷曲線如圖1所示。

2 方案介紹

2.1 方案一

該方案見圖2，PH和每臺機(jī)組的BH獨(dú)立連接到熱網(wǎng)，采用這種方式在尖峰負(fù)荷的時(shí)候，PH鍋爐需要分流少部分回水，在由基本負(fù)荷向尖峰負(fù)荷過渡的時(shí)候流經(jīng)BH的回水會有所降低。

在極寒尖峰負(fù)荷的情況下，熱水最高溫度130℃，那BH出口溫度也必須要能夠達(dá)到130℃才能輸送到熱網(wǎng)中，這樣抽汽的飽和溫度就應(yīng)該為135℃，對應(yīng)的飽和壓力為3.13bar，考慮輸汽壓損后最高抽汽壓力需要達(dá)到3.38bar；這時(shí)經(jīng)過PH的焓升為420.37kJ/kg，PH總?cè)萘繛?74MWt，那流量為1490.1t/h，經(jīng)過單臺BH的焓升同樣為420.37kJ/kg，這樣我們根據(jù)輸出熱功率107MWt可以計(jì)算出單臺BH的流量為916.3t/h，6臺為5497.8t/h，回水總流量為6987.9t/h；汽輪機(jī)在最大抽汽輸出熱功率為107MWt時(shí)，其發(fā)電功率為26.6MWe，非供暖季最高發(fā)電功率為48.7MWe。

2.2 方案二

方案二見圖3，該方案采用多個BH和PH逐級串聯(lián)的方式接入到熱網(wǎng)。采用這種方式在基本負(fù)荷向尖峰負(fù)荷切換的時(shí)候，PH鍋爐直接對BH的輸出熱水進(jìn)行加熱。

極寒尖峰負(fù)荷的時(shí)候，熱水最高溫度130℃，回水溫度30℃，在尖峰負(fù)荷的時(shí)候PH的焓差為89.6kJ/kg，那PH進(jìn)口的熱水溫度為108.88℃；BH1直接用回水作為循環(huán)水，在回水流量6982.5t/h的情況下出口水溫為50.14℃，熱功率為163.2MWt，出口焓為210.17kJ/kg，此時(shí)的背壓為0.15bar，電功率為47.1MWe；BH2溫度升高12℃，出口水溫62.14℃，出口焓260.36kJ/kg，熱功率為97.3MWt，對應(yīng)的飽和水溫為67.14℃，對應(yīng)的抽汽壓力為0.3bar，這時(shí)候抽汽流量為155.4t/h，電功率為45.1MWe；BH3溫升12℃，出口水溫74.14℃，出口焓310.62kJ/kg，熱功率為97.5MWt，對應(yīng)的飽和水溫為79.14℃， 對應(yīng)的抽汽壓力為0.494 bar，抽汽流量為152.1t/h，電功率為42.8MWe；BH4溫升12℃，出口水溫86.14℃，出口焓360.97kJ/kg，熱功率為97.7MWt，對應(yīng)的飽和水溫為91.14℃，對應(yīng)的抽汽壓力為0.791bar， 最大抽汽時(shí)候的發(fā)電能力為41.0MWe；BH5溫升12℃，出口水溫98.14℃，出口焓411.45 kJ/kg，熱功率為97.9MWt，對應(yīng)的飽和水溫為103.14℃，對應(yīng)的抽汽壓力為1.220bar，最大抽汽時(shí)候的發(fā)電能力為39.0MWe；BH6出口水溫108.88℃，溫升為10.74℃，出口焓456.77 kJ/kg，熱功率為87.9MWt，對應(yīng)飽和水溫為113.88℃，對應(yīng)的抽汽壓力為1.76bar， 最大抽汽時(shí)候發(fā)電能力為38.4MWe。

匯總詳見表1。

3 聯(lián)供能力比較

3.1 運(yùn)行方式

根據(jù)圖1的熱負(fù)荷曲線，我們考慮方案一機(jī)組的運(yùn)行方式：在最低基本負(fù)荷的時(shí)候，1、2、3號機(jī)組滿負(fù)荷供熱，隨著熱負(fù)荷的增大，先后由4、5、6號機(jī)組逐漸提高供熱負(fù)荷直到滿負(fù)荷后下一臺機(jī)組投入。

方案二機(jī)組的運(yùn)行方式：在最低基本負(fù)荷的時(shí)候，1號機(jī)組和2號機(jī)組滿負(fù)荷供熱，3號機(jī)組運(yùn)行于62.1%熱負(fù)荷；隨著熱負(fù)荷的增大，3號機(jī)組提高供熱到最大熱負(fù)荷；接著分別是4、5、6號機(jī)組逐漸提高供熱熱負(fù)荷直到滿負(fù)荷后下一臺機(jī)組投入。

3.2 供暖季單機(jī)滿負(fù)荷計(jì)算

3.2.1 方案一計(jì)算結(jié)果

（1）1、2、3號機(jī)組滿負(fù)荷的時(shí)間為3480h；

（2）4號機(jī)組滿負(fù)荷的時(shí)間為2527.7h；

（3）5號機(jī)組滿負(fù)荷的時(shí)間為1575.5h；

（4）6號機(jī)組滿負(fù)荷的時(shí)間為811h。

3.2.2 方案二計(jì)算結(jié)果

（1）1、2號機(jī)組滿負(fù)荷的時(shí)間分別為3480h；

（2）3號機(jī)組滿負(fù)荷的時(shí)間為3151.9h；

（3）4號機(jī)組滿負(fù)荷的時(shí)間為2278.9h；

（4）5號機(jī)組滿負(fù)荷的時(shí)間為1411.2h；

（5）6號機(jī)組滿負(fù)荷的時(shí)間為811h。

3.3 供暖季部分熱負(fù)荷轉(zhuǎn)換成單機(jī)滿負(fù)荷計(jì)算

3.3.1 方案一

計(jì)算用圖如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果如下：

（1）4號機(jī)組平均熱負(fù)荷率為0.5，則等效滿負(fù)荷時(shí)長為1347.5h；

（2）5號機(jī)組平均熱負(fù)荷率為0.5，則等效滿負(fù)荷時(shí)長為1347.4h；

（3）6號機(jī)組拐點(diǎn)以下區(qū)域平均熱負(fù)荷率為0.164，則等效滿負(fù)荷時(shí)長528.0h；拐點(diǎn)以上區(qū)域平均熱負(fù)荷率為0.664，則等效滿負(fù)荷時(shí)長579.4h。

3.3.2 方案二

計(jì)算用圖如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果如下：

（1）3號機(jī)平均熱負(fù)荷率為0.811，則等效滿負(fù)荷時(shí)長為336.6h；

（2）4號機(jī)平均熱負(fù)荷率為0.5，則等效滿負(fù)荷時(shí)長為951.6h；

（3）5號機(jī)平均熱負(fù)荷率為0.5，則等效滿負(fù)荷時(shí)長為971.8h；

（4）6號機(jī)拐點(diǎn)以下區(qū)域，平均負(fù)荷率為0.093，等效滿負(fù)荷時(shí)長為183.0h；6號機(jī)拐點(diǎn)以上區(qū)域平均負(fù)荷率為為0.594，等效滿負(fù)荷時(shí)長為502.4h。

3.4 計(jì)算結(jié)果匯總

3.4.1 方案一

這樣我們可以計(jì)算出該方案整個供暖季各臺機(jī)組的發(fā)電量（詳見表2）。

整個供暖季總發(fā)電量為5.10億kW·h；非供暖季的總發(fā)電量為：48.7×6×（365×24-3480）=15.4億kW·h；假設(shè)上網(wǎng)電價(jià)0.4元/kW·h，那總發(fā)電收入為8.2億元。

兩種方案采用的是相同的負(fù)荷曲線，都能夠滿足供熱能力的要求，因此，整個供暖季供熱量完全相同，根據(jù)圖1計(jì)算得出供暖季總供熱量都為6.42×106GJ，按照熱價(jià)28元/GJ，可以得到整個供暖季供熱收入為1.8億元，熱電年收入為10.0億元。

3.4.2 方案二

這樣我們可以計(jì)算出該方案整個供暖季各臺機(jī)組的發(fā)電量（見表3）。

整個供暖季總發(fā)電量為7.52億度；非供暖季的總發(fā)電量為：（48.7×5+47.1）×（365×24-3480）=15.3億kW·h，總發(fā)電收入9.12億元；供暖季供熱收入為1.80億元，熱電總年收入為10.92億元，方案二每年增收9200萬元，增收百分比為9.2%。

4 結(jié)語

如果多個核反應(yīng)堆機(jī)組用于聯(lián)供，可以通過熱網(wǎng)加熱器相互串聯(lián)的方式連接到熱網(wǎng)，本文以兩例方案進(jìn)行了對比，可見方案二可以大幅度增收，這主要是因?yàn)榉桨付峭ㄟ^BH逐級串聯(lián)的方式，能夠最大限度地降低對熱源蒸汽的參數(shù)需求，從而使熱源蒸汽在用于供暖加熱前可以最大幅度地在汽輪機(jī)內(nèi)做功，方案二成功實(shí)現(xiàn)了利用1臺機(jī)組的循環(huán)水直接供熱，在供暖期這臺機(jī)組完全沒有冷端損失。在多機(jī)組供熱的情況下，從中挑選整個供暖季絕大部分時(shí)間都可以滿熱負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組采用循環(huán)水直接供熱方案是非常經(jīng)濟(jì)的。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊玨，孫吉良，楊偉國，等.多用途小型堆ACPR100概念設(shè)計(jì)[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2014，48（10）：1844-1849.

[2] 安江林.論我國核能開發(fā)利用的基本階段、重點(diǎn)領(lǐng)域和安全保障[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)：社會科學(xué)版，2016，17（2）：13-20.

[3] 王宏淵.中國核能區(qū)域供熱面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[J].能源與節(jié)能，2013（4）：36-38.