海上小型堆除氧汽源調(diào)節(jié)變化對(duì)汽發(fā)機(jī)組出力的影響

張臣剛

摘 ? 要：為了更好地展現(xiàn)熱力分析結(jié)果，并更清楚、更通用地論述海上小型堆除氧器汽源調(diào)節(jié)變化對(duì)其汽輪發(fā)電機(jī)組出力的影響，本文所述的海上堆輸入?yún)?shù)和系統(tǒng)配置采用了基于實(shí)際堆型的通用假設(shè)，該海上堆采用新蒸汽和高壓缸排汽混合后用于除氧器加熱，不同的混合比例對(duì)汽發(fā)機(jī)組出力有著明顯的影響，本文通過熱力分析計(jì)算，得到了不同混合比情況下的機(jī)組出力數(shù)值，由計(jì)算結(jié)果可見，盡可能多地采用高壓缸排汽能夠大幅度提升機(jī)組出力，經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)可觀，因?yàn)樾⌒投哑啓C(jī)的特點(diǎn)決定了其在運(yùn)行中高壓缸排汽受到負(fù)荷變化影響更容易波動(dòng)，建議根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)，在負(fù)荷基本穩(wěn)定的情況下，優(yōu)選高壓缸排汽作為除氧汽源，在負(fù)荷超過一定波動(dòng)幅度的情況下，才部分或全部切換到新蒸汽。

關(guān)鍵詞：海上小型堆 ?出力 ?汽輪發(fā)電機(jī)組 ?除氧器供汽 ?熱力分析

中圖分類號(hào)：TE0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（a）-0103-03

Abstract： To better demonstrate the thermal analysis result and to address more clearly and more generally the impact of variation of the deaerator steam supply on the Turbine Generator （TG） capacity， it had been assumed for the input parameters and the system configuration for the ocean-floating Small Module Reactor （SMR） in this article. This SMR uses mixture of the live steam and the HP turbine exhaust steam for deaerator heating. The different mixture percentages have notable impact on the TG unit power output. By thermal analysis in this article， each power output has been achieved for the different mixture percentage. Form the analysis result we can see， the power output of the TG unit can be considerably raised if we use more HP exhaust steam for deaerator heating as possible. So this can be considerably more economical. As it had been determined by the character of the SMR turbine， the HP exhaust steam might be more fluctuated corresponding to the load variation. It has been suggested to prioritize using the HP exhaust steam as deaerator steam supply according to the load character. Only in case that the load variation exceeded certain amplitude， we should partially or completely switch to the live steam.

Key Words： Ocean-floating SMR; Power output; Turbine generator unit; Deaerator steam supply; Thermal analysis

相比二代大型核反應(yīng)堆，國內(nèi)在研先進(jìn)小型核反應(yīng)堆完全可以達(dá)到三代要求，其安全性得到了大幅提高，并具備靈活性高，適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣等諸多優(yōu)勢(shì)[1]，在未來具有較為廣闊的發(fā)展空間[2-3]，許多西方及亞洲核電國家甚至把加快先進(jìn)小型反應(yīng)堆研發(fā)上升到了國家戰(zhàn)略。進(jìn)入21世紀(jì)以來，國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）大力推動(dòng)小型反應(yīng)堆技術(shù)的研究和開發(fā)，鼓勵(lì)發(fā)展和利用安全、可靠、經(jīng)濟(jì)上可行與核不擴(kuò)散的中小型反應(yīng)堆。而海上小堆技術(shù)的應(yīng)用則是解決遠(yuǎn)海能源供給的重要途徑，更加有助于提升一個(gè)國家的海上資源開發(fā)能力，小型核反應(yīng)堆“即插即用”的優(yōu)勢(shì)[4]令其更受關(guān)注，應(yīng)用前景十分廣闊，海上核電站時(shí)代已經(jīng)來臨。在國外，俄羅斯已建成投產(chǎn)世界第一艘海上浮動(dòng)核電站，并計(jì)劃還將建設(shè)一批浮動(dòng)式核電站，為大型工業(yè)項(xiàng)目、港口城市、海上油氣鉆探平臺(tái)提供能源。在國內(nèi)，我國海域遼闊，西沙群島、南沙群島等遠(yuǎn)離大陸數(shù)百甚至上千公里，海上核電站將在我國海洋開發(fā)與建設(shè)中發(fā)揮重要作用，中國擬計(jì)劃未來幾年在南海各島礁建造20座海上核動(dòng)力浮動(dòng)平臺(tái)，海洋核動(dòng)力平臺(tái)的建造將支撐起我國對(duì)南海地區(qū)的實(shí)際控制、開發(fā)能力，完善南海地區(qū)的電力和能源系統(tǒng)，從而拉動(dòng)南海地區(qū)的商業(yè)開發(fā)和我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

海上小型堆為更好地適應(yīng)海洋工作環(huán)境條件，適當(dāng)犧牲了二回路效率，以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、減輕重量、提高船平臺(tái)空間使用效率，并有利于提高其機(jī)動(dòng)性和靈活性，故其設(shè)計(jì)要求與陸上大型核反應(yīng)堆有著很大的區(qū)別，最突出的特點(diǎn)就是抽汽加熱系統(tǒng)極度簡化，以國內(nèi)百萬千瓦級(jí)陸上壓水堆CPR1000為例，CPR1000的二回路有7級(jí)加熱，其中包括4級(jí)低壓加熱，1級(jí)除氧加熱和2級(jí)高壓加熱，而本文所述某海上小型堆的二回路只有除氧加熱這一級(jí)，排除用高低壓缸級(jí)內(nèi)抽汽的方式，除氧器汽源還可以直接采用新蒸汽，也可以用高壓缸排汽，或者是兩者的混合汽，為更好地進(jìn)行潛在技術(shù)方案技經(jīng)比較和優(yōu)選，有必要知道不同混合比情況下對(duì)汽發(fā)機(jī)組發(fā)電能力的影響如何。

本文采用的輸入?yún)?shù)和系統(tǒng)配置均是在實(shí)際堆型基礎(chǔ)上進(jìn)行了合理可行的假設(shè)，旨在更好地展現(xiàn)熱力分析結(jié)果，并更清楚、更通用地論述熱力分析方法。

1 ?基本條件

1.1 熱力系統(tǒng)

該海上小型堆熱力系統(tǒng)見圖1，汽輪發(fā)電機(jī)組新蒸汽參數(shù)為3.7MPa、288℃，為微過熱蒸汽，進(jìn)汽流量達(dá)到130t/h以上，凝汽器喉部壓力7kPa，蒸發(fā)器給水溫度為145℃，汽輪機(jī)采用高壓缸和低壓缸設(shè)計(jì)，分缸壓力為4.4Bar.a，高低壓缸之間聯(lián)通管采用了除濕再熱措施，除濕效率為99%，再熱器利用新蒸汽對(duì)再熱蒸汽加熱，加熱端差5℃，蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)部膨脹做功后排放到凝汽器，排汽濕度滿足低壓缸末級(jí)排汽濕度的設(shè)計(jì)要求，凝結(jié)水參數(shù)0.3MPa、28℃;除氧器采用熱力混合式除氧，蒸發(fā)器給水參數(shù)4.4MPa、145℃。

1.2 主要設(shè)備熱力參數(shù)

（1）高壓缸。

計(jì)算條件：高壓缸進(jìn)汽閥門壓損5%;忽略管道壓損;高壓缸效率78%。

新蒸汽壓力為3.7MPa，溫度288℃，得到焓2938.19kJ/kg，根據(jù)進(jìn)汽閥門壓損5%可以計(jì)算出閥后壓力為3.515MPa，節(jié)流調(diào)節(jié)蒸汽的焓不變，這樣得到閥門后蒸汽的熵為6.3752kJ/（kg·K）。

高壓缸排汽壓力0.44MPa，等熵理論膨脹后蒸汽焓為2537.20kJ/kg，高壓缸理論等熵焓降為400.99kJ/kg，高壓缸效率為78%，可得到實(shí)際焓降為312.77kJ/kg，從而得到高壓缸出口實(shí)際焓2625.42kJ/kg，高壓缸排汽壓力為0.44MPa，則得到其溫度為147.09℃，干度為0.9451;除濕效率按照99%考慮，則除濕后的蒸汽干度為0.9995。

（2）低壓缸。

計(jì)算條件：低壓缸效率85%。

輸送到再熱器處的新蒸汽的飽和溫度為245.75℃，根據(jù)5℃的加熱端差，這樣進(jìn)入低壓缸的再熱蒸汽溫度為240.75℃，壓力為0.44MP，則焓為2943.93kJ/kg，熵為7.2970kJ/（kg·K），低壓缸排汽壓力為0.007MPa，則理論等熵膨脹后的理論焓為2266.78kJ/kg，理論焓降為677.15kJ/kg，低壓缸的效率為85%，實(shí)際焓降為575.58kJ/kg，低壓缸排汽實(shí)際焓值為2368.35 kJ/kg，排汽溫度為39.02℃，干度0.9152，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）汽水分離再熱器MSR。

計(jì)算條件：忽略壓損。

我們將MSR分成兩部分計(jì)算，一部分是汽水分離器，除濕器后蒸汽蒸汽壓力0.44MPa，干度為0.9995，焓為2740.82kJ/kg，分離器疏水的參數(shù)為壓力為0.44MPa的飽和水，則焓為619.60kJ/kg。另一部分是再熱器，再熱器將再熱蒸汽加熱到240.75℃，經(jīng)過再熱后蒸汽溫度為240.75℃，壓力為0.44MP，則焓為2943.93kJ/kg，再熱器殼側(cè)疏水參數(shù)為240.75℃的飽和水，則焓為1041.18 kJ/kg，再熱器用新蒸汽焓為2938.19kJ/kg。

（4）除氧器。

再熱器殼側(cè)疏水排放到除氧器，上文提到，其焓為1041.18kJ/kg，分離器疏水焓為619.60kJ/kg，用于除氧器加熱的高壓缸排汽焓值為2625.42kJ/kg，用于除氧器加熱的新蒸汽焓2938.19kJ/kg，凝結(jié)水泵出口，凝結(jié)水28℃、0.3MPa，其焓為117.58kJ/kg，給水4.4MPa、145℃，則給水焓為613.13kJ/kg。

2 ?熱力計(jì)算

2.1 通用方程

假設(shè)汽水分離器疏水量為Q1，再熱器疏水量為Q2，用于除氧器供熱的新蒸汽流量和高壓缸排汽流量分別為Q31和Q32，二者合計(jì)流量為Q3。

采用新蒸汽和高壓缸排汽混合后供汽的方式，在滿足熱力平衡的前提下，改變各自供汽調(diào)節(jié)閥的開度，可以改變新蒸汽占總供汽的質(zhì)量百分比（即供汽比）。為此，我們分別將不同的供汽比X（100%、75%、50%、25%、0）代入，得到各供汽比情況下的三個(gè)方程，聯(lián)解方程就可以得到三個(gè)未知流量值，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?。

3 ?發(fā)電能力計(jì)算

3.1 發(fā)電能力通用計(jì)算式

發(fā)電能力等于高低壓缸發(fā)電能力之和，根據(jù)實(shí)際焓降和流量，就可以計(jì)算出高、低壓缸出力分別為312.77×（130-Q2-Q3×X）/3.6和575.58×（130-Q3-Q1-Q2）/3.6。

3.2 計(jì)算結(jié)果

代入流量和供汽比，得到計(jì)算結(jié)果如表2所示。

4 ?結(jié)語

從以上結(jié)果我們可以看到，更多地用更低參數(shù)的高壓缸排汽用于除氧有利于提高機(jī)組出力，這是因?yàn)楦邏焊鬃龉ζ鞯牧髁吭酱?，越能夠提高做功能力，隨著供汽比的不斷降低，做功能力提高幅度最高達(dá)到5.37%，能夠在基本不改變系統(tǒng)設(shè)計(jì)和基本不增加重量空間需求的情況下，大幅度地提高汽輪機(jī)出力，經(jīng)濟(jì)性是相當(dāng)可觀的。

小型堆汽輪機(jī)的特點(diǎn)決定了其在運(yùn)行中受到負(fù)荷變化影響更容易波動(dòng)，采用高壓缸排汽作為除氧器汽源，在負(fù)荷波動(dòng)的情況下，高壓缸排汽容易同步出現(xiàn)波動(dòng)，這樣在機(jī)組協(xié)調(diào)控制中不利于波動(dòng)的收斂，為此，建議根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)，在負(fù)荷基本穩(wěn)定的情況下，可以優(yōu)選高壓缸排汽作為除氧汽源，在負(fù)荷超過一定波動(dòng)幅度的情況下，才部分或全部切換到新蒸汽作為除氧汽源，從而顯著提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

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