高溫氣冷堆直接制氫耦合蒸汽循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高溫氣冷堆直接制氫耦合蒸汽循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展，高溫氣冷堆有可能成為今后主要實(shí)施的先進(jìn)堆型。目前高溫氣冷堆的堆芯出口溫度已高達(dá)950°C，不僅可用于高效發(fā)電，還可用于提供高溫工藝熱，其中最具前景的熱利用方式是制氫。高溫氣冷堆用于發(fā)電可采用的熱力循環(huán)方式有氦氣循環(huán)、蒸汽循環(huán)和氦氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)三種。現(xiàn)階段的主流是帶有間冷器和回?zé)崞鞯牟祭最D閉式氦氣循環(huán)，該循環(huán)的效率可高達(dá)48%，但是制造高性能的氦氣輪機(jī)和高效緊湊的回?zé)崞魅允谴鉀Q的關(guān)鍵難題，除此之外，隨著高溫氣冷堆的技術(shù)發(fā)展，堆芯的出口溫度將進(jìn)一步提高到1000°C以上，為了使氦氣循環(huán)處于最佳效率范圍內(nèi)，堆芯的進(jìn)口溫度也應(yīng)相應(yīng)提高，這點(diǎn)對于反應(yīng)堆的材料強(qiáng)度要求將更高，并且回?zé)崞鞯淖饔脤⒈幌魅?，從而使氦氣循環(huán)進(jìn)一步提高效率受到很大的限制。高溫氣冷堆若采用蒸汽循環(huán)發(fā)電，與火力發(fā)電相似，在技術(shù)上非常成熟，但由于金屬材料的限制目前過熱蒸汽最高溫度大約是600°C，因此循環(huán)效率處在40?47%之間無法再提高。另外高溫氣冷堆的堆芯出口溫度950°C與蒸汽最高溫度6001并不匹配，由此造成高品位熱能的貶值利用，而且隨著堆芯出口溫度進(jìn)一步提高，這種熱能貶值利用情況將加劇，因此高溫氣冷堆并不大適合單獨(dú)采用蒸汽循環(huán)。高溫氣冷堆若采用氦氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，有利于克服上述兩種循環(huán)的不足之處，在理論上可以達(dá)到更高的效率，但是整個(gè)系統(tǒng)將變得很復(fù)雜，同時(shí)氦氣輪機(jī)的制造依然是關(guān)鍵性問題。綜上所述分析可知，高溫氣冷堆單純用于發(fā)電的技術(shù)途徑目前尚未完善，而另一方面核能制氫被認(rèn)為是最具潛力的熱利用途徑，因此可以考慮將核能制氫工藝與核能發(fā)電方式進(jìn)行耦合，先通過制氫工藝高效利用高溫氣冷堆的高品位熱能，再充分利用蒸汽循環(huán)技術(shù)成熟的優(yōu)勢進(jìn)行發(fā)電，將是一條技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上更加可行的途徑。當(dāng)今我國成熟的制氫方法主要是化石燃料制氫，其中以天然氣水蒸汽轉(zhuǎn)化制氫的應(yīng)用最為普遍，并且成本最低，因此核能制氫工藝可考慮繼續(xù)沿用該方法。如何將核能制氫工藝和蒸汽循環(huán)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行良好地耦合，還需要重點(diǎn)考慮以下兩方面的問題:一是經(jīng)過制氫工藝放熱后的氦氣溫度相對較低，大約處在400?500°C之間，無法用于生產(chǎn)足夠高溫度的過熱蒸汽，蒸汽循環(huán)的效率比較低;二是制氫工藝目前也存在能耗較高的問題，從轉(zhuǎn)化爐出來的轉(zhuǎn)化氣溫度一般在750?800°C之間，該轉(zhuǎn)化氣一般進(jìn)入低壓水蒸汽發(fā)生器用于加熱給水產(chǎn)生3.5MPa、245°C的飽和水蒸汽作為工藝用汽，該環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化氣和給水的換熱溫差非常大，熱量嚴(yán)重貶值利用，與此同時(shí)，副產(chǎn)蒸汽量屬于低品位熱能并且產(chǎn)量過多，遠(yuǎn)大于工藝本身所需的用汽量，由此涉及對外供熱環(huán)節(jié)，又容易造成熱量的浪費(fèi)。綜上分析可知，為了進(jìn)一步體現(xiàn)耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用性，核能制氫耦合蒸汽循環(huán)發(fā)電的方式應(yīng)著力于解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種溫度匹配、熱利用率高、制氫成本低、蒸汽循環(huán)效率高的高溫氣冷堆直接制氫耦合蒸汽循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種將核能制氫工藝和蒸汽循環(huán)發(fā)電方式相耦合，實(shí)現(xiàn)氫電聯(lián)產(chǎn)的高溫氣冷堆直接制氫親合蒸汽循環(huán)發(fā)電的方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過下述的技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明是一種高溫氣冷堆直接制氫耦合蒸汽循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，它包括高溫氣冷堆、轉(zhuǎn)化反應(yīng)器、蒸汽發(fā)生器、冷卻劑循環(huán)栗、蒸汽過熱器、汽輪發(fā)電機(jī)組、冷凝器、給水栗、中溫變換器、抽汽管道、天然氣管道。所述的高溫氣冷堆的氦氣出口與轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的氦氣進(jìn)口連接，高溫氣冷堆的氦氣進(jìn)口與蒸汽發(fā)生器的氦氣出口連接，并在連接管道上布置冷卻劑循環(huán)栗;所述的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的氦氣出口與蒸汽發(fā)生器的氦氣進(jìn)口連接，轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化氣出口與蒸汽過熱器的轉(zhuǎn)化氣進(jìn)口連接;所述的蒸汽發(fā)生器的水蒸汽出口與蒸汽過熱器的水蒸汽進(jìn)口連接，蒸汽發(fā)生器的給水進(jìn)口與汽輪發(fā)電機(jī)組的排汽口連接，并在連接管道上布置冷凝器和給水栗;所述的蒸汽過熱器的轉(zhuǎn)化氣出口與中溫變換器連接，蒸汽過熱器的水蒸汽出口與汽輪發(fā)電機(jī)組的進(jìn)汽口連接;所述的汽輪發(fā)電機(jī)組從汽缸某級抽汽口引出一股蒸汽通過抽汽管道與轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的原料進(jìn)口連接;所述的天然氣管道與轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的原料進(jìn)口連接。
[0006]所述的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的氦氣出口溫度在400?450°C之間，轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化氣出口溫度在750?800°C之間；所述的蒸汽發(fā)生器的水蒸汽出口溫度在324?374°C之間；所述的蒸汽過熱器的轉(zhuǎn)化氣出口溫度在350?400°C之間，蒸汽過熱器的水蒸汽出口溫度在500?550°C之間；所述的汽輪發(fā)電機(jī)組的抽汽口溫度在245?300°C之間。
[0007]本發(fā)明是一種高溫氣冷堆直接制氫耦合蒸汽循環(huán)發(fā)電的方法，它包括以下過程:
I)從高溫氣冷堆引出的超過950°C的高溫氦氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的殼程進(jìn)行放熱變成
400?450°C的中溫氦氣，中溫氦氣進(jìn)入蒸汽發(fā)生器進(jìn)行放熱變成低溫氦氣，低溫氦氣經(jīng)冷卻劑循環(huán)栗重新送至高溫氣冷堆完成一次氦氣循環(huán)。
[0008]2)從冷凝器引出的凝結(jié)水經(jīng)給水栗加壓后進(jìn)入蒸汽發(fā)生器進(jìn)行吸熱變成溫度為324?374°C、濕度為0.5%的飽和蒸汽，飽和蒸汽進(jìn)入蒸汽過熱器進(jìn)行吸熱變成500?550°C的過熱蒸汽，過熱蒸汽進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電，對應(yīng)的排汽進(jìn)入冷凝器進(jìn)行放熱變成凝結(jié)水完成一次汽水循環(huán)。
[0009]3)從汽輪發(fā)電機(jī)組引出的245?300°C的抽汽與來自天然氣管道的預(yù)熱天然氣一起進(jìn)入轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化傳熱管內(nèi)進(jìn)行吸熱并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到750?800°C的高溫轉(zhuǎn)化氣，高溫轉(zhuǎn)化氣經(jīng)過蒸汽過熱器進(jìn)行放熱變成350?400°C的中溫轉(zhuǎn)化氣，中溫轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入中溫變換器并進(jìn)行后續(xù)的制氫流程。
[0010]采用上述方案后，本發(fā)明具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
I)高溫氣冷堆的同一股氦氣先用于制氫，再用于發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了氫氣電力聯(lián)合生產(chǎn)的功會K。
[0011]2)氦氣的高品位熱能用于制氫，制氫后的低品位熱能用于蒸汽發(fā)電，符合溫度匹配、按質(zhì)用熱、熱盡其用的原則，提高了熱利用率。
[0012]3)制氫工藝采用汽輪發(fā)電機(jī)組引出的抽汽作為其工藝用汽，無需設(shè)置自身蒸汽系統(tǒng)，簡化了制氫工藝的流程及設(shè)備，有效地降低了制氫的成本。
[0013]4)蒸汽發(fā)電系統(tǒng)通過蒸汽過熱器有效利用了制氫工藝高溫轉(zhuǎn)化氣的余熱，提高了新蒸汽的初溫，進(jìn)而提高了蒸汽發(fā)電的循環(huán)效率。
[0014]5)制氫工藝為蒸汽發(fā)電系統(tǒng)提供高溫的熱能，蒸汽發(fā)電系統(tǒng)為制氫工藝提供所需的工藝用汽，兩者實(shí)現(xiàn)了很好的耦合。
[0015]綜上所述，本發(fā)明將核能制氫工藝和蒸汽循環(huán)發(fā)電方式很好地耦合起來，實(shí)現(xiàn)了氫電聯(lián)產(chǎn)模式，具有溫度匹配、熱利用率高、制氫成本低、蒸汽循