CN105508051B - 高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统及其方法，它包括核能发电系统、制氢系统、高压氦气再热器、甲烷输送管道、给水管道、水蒸汽管道、氢气输送管道。核能发电系统氦氦换热器的二次侧氦气出口与制氢系统转化反应器的氦气进口连接，转化反应器的氦气出口与氦气再热器的氦气进口连接，氦气再热器的氦气出口与核能发电系统氦气轮机的进口连接；转化反应器的转化气出口与氦气再热器的转化气进口连接，氦气再热器的转化气出口与制氢系统低压水蒸汽发生器的转化气进口连接。本发明将核能发电与制氢工艺相耦合，实现了同一股氦气流先制氢后发电的氢电联产方式，具有能量梯级利用、热效率高等特点，具有很好的经济效益和应用前景。

Description

高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统及其方法

技术领域

本发明属于核能应用技术领域，特别是涉及一种高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统及其方法。

背景技术

氢气作为重要的工业原料和最清洁能源，在国民经济各领域中被广泛地应用。当今我国工业的制氢方法主要是化石燃料制氢，其中以天然气水蒸汽转化制氢的应用最为普遍，并且成本最低，但该制氢工艺目前仍存在能耗较高的问题。目前制氢工艺从转化炉出来的转化气温度一般在750~800℃之间，该转化气进入低压水蒸汽发生器用于加热给水产生3.5Mpa、245℃的饱和水蒸汽，该环节转化气和给水的换热温差非常大，热量严重贬值利用，与此同时，副产蒸汽量属于低品位热能并且产量过多，远大于工艺本身所需的用汽量，由此涉及对外供热环节，又容易造成热量的浪费。若能采用先进的工艺技术以求合理有效地利用转化气余热的能量品位，将达到节能降耗的目的，进一步降低制氢的综合成本。传统的天然气水蒸汽转化制氢法中，天然气既作为反应物，又燃烧作为反应的热源，需要大量的天然气并产生大量的二氧化碳气体，这点上亟需寻求合适的替代热源。核电作为一种清洁能源，对于满足电力需求、优化能源结构、减少环境污染都具有重要意义，在国家相关政策下我国的核电事业已得到了蓬勃发展，若用核反应堆作为制氢工艺的热源时，制氢过程所需要的天然气量可以显著减少，并能够实现高效、大规模地制氢，同时减少温室气体的排放。要实现核能和制氢工艺的耦合，要求核反应堆的输出温度和制氢过程的最高温度必须相匹配，这点上只有氦气冷却的高温气冷堆可以提供足够高的温度来驱动制氢体系。高温气冷堆具有安全性好，热经济性好的特点，属于第四代先进核能系统技术之一。目前高温气冷堆较为成熟可靠的热力循环是氦气透平间接循环，该循环方式要求氦气轮机进口具有较高的压力和温度，从而达到一定的功率和循环效率，但是当高温气冷堆为制氢工艺提供工艺热后，从转化炉出来的氦气温度已处于较低的温度水平，大约在350～400℃之间，已无法满足氦气轮机的进气参数要求，因此高温气冷堆的同一股高温氦气只能单独用于制氢或单独进行氦气循环发电，这点上并没有真正实现核电站与制氢工艺的完全耦合。综合以上分析，若能寻求一种新的先进的核能热力循环，使得在同一循环内同时实现制氢和发电的目的，整个系统将具有很高的热经济性，并对未来核能制氢与发电联合生产技术的发展产生深远的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能量梯级利用、热效率高、可提供氢气和电力的高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统。

本发明的另一个目的在于提供一种将核电站发电系统与制氢系统相耦合，实现氢电联产的高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电的方法。

本发明的目的是通过下述的技术方案加以实现的：

本发明是一种高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统，它包括核能发电系统、制氢系统、高压氦气再热器、甲烷输送管道、给水管道、水蒸汽管道、氢气输送管道。所述的核能发电系统由高温气冷堆、压缩机、氦氦换热器、氦气轮机、冷却器组成；所述的高温气冷堆与氦氦换热器的一次侧连接形成核电站一回路；所述的压缩机与氦氦换热器的二次侧、氦气轮机、冷却器连接构成核电站二回路部分；所述的氦氦换热器的二次侧氦气出口与制氢系统连接；所述的氦气轮机的进口与高压氦气再热器连接；所述的制氢系统由转化反应器、低压水蒸汽发生器、中温变换器、甲烷预热器、给水除氧器、变压吸附器、转化气管道组成；所述的转化反应器的原料进口与甲烷输送管道、水蒸汽管道相连接；转化反应器的转化气出口通过转化气管道与氢气输送管道连接，并在转化气管道上依次设置高压氦气再热器、低压水蒸汽发生器、中温变换器、甲烷预热器、给水除氧器、变压吸附器；转化反应器的氦气进口与核能发电系统氦氦换热器的二次侧氦气出口连接；所述的高压氦气再热器的转化气进口与制氢系统转化反应器的转化气出口连接；高压氦气再热器的转化气出口与制氢系统低压水蒸汽发生器的转化气进口连接；高压氦气再热器的氦气进口与制氢系统转化反应器的氦气出口连接；高压氦气再热器的氦气出口与核能发电系统氦气轮机的进口连接；所述的甲烷输送管道与制氢系统甲烷预热器的壳程相连通，并与转化反应器的原料进口连接；所述的给水管道螺旋或曲折穿过核能发电系统冷却器后与制氢系统给水除氧器的壳程相连通，并与低压水蒸汽发生器的给水进口连接；所述的低压水蒸汽发生器的蒸汽出口通过水蒸汽管道与转化反应器的原料进口连接。

所述的转化反应器的氦气出口温度在350～400℃之间，转化反应器的转化气出口温度在750～800℃之间；所述的高压氦气再热器的氦气出口温度在550～650℃之间，高压氦气再热器的转化气出口温度在400～450℃之间。

本发明是一种高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电的方法，它包括以下过程：

1）核电站一回路的氦气从高温气冷堆进行吸热，通过氦氦换热器的一次侧向二次侧进行放热。核电站二回路的氦气经压缩机压缩后，进入氦氦换热器的二次侧进行吸热，形成高温高压氦气；高温高压氦气进入转化反应器的壳程进行放热，变成低温高压氦气；低温高压氦气进入高压氦气再热器吸收从转化反应器引出的高温转化气的放热量，温度再次升高成为中高温高压氦气；中高温高压氦气进入氦气轮机做功发电，氦气轮机排放的氦气经过冷却器被给水冷却后重新进入压缩机完成一个循环。

2）天然气经过甲烷预热器被加热后进入转化反应器的转化传热管内；给水经过核能发电系统的冷却器被加热为热水，热水进入制氢系统的给水除氧器进一步加热除氧，然后除氧水进入低压水蒸汽发生器内吸收转化气的热量变成饱和水蒸汽，饱和水蒸汽与预热天然气一起进入转化反应器的转化传热管内发生反应，生成主要成分为氢气和一氧化碳的高温转化气，高温转化气先经过高压氦气再热器进行放热用于加热氦气，再进入低压水蒸汽发生器进行放热用于产生水蒸汽，然后转化气进入中温变换器进一步反应，生成主要成分为氢气和二氧化碳的混合气，混合气依次经过甲烷预热器和给水除氧器放出余热，最后经过变压吸附器过滤掉二氧化碳后得到纯净氢气。

采用上述方案后，本发明具有以下几个优点：

1） 实现氢电联产。来自高温气冷堆的高温高压氦气首先用于放热制氢，然后再利用制氢的转化气余热重新加热氦气使其满足氦气轮机的进气参数，最后进入氦气轮机做功发电。本发明提出了“放热制氢—重热利用再加热—做功发电”的新工艺，实现了同一股氦气流先制氢、后发电的氢电联合生产方式。

2） 能量梯级利用。来自转化反应器的高温转化气首先将高品位热能用于加热氦气，然后再将低品位热能用于副产水蒸气，符合按质利用热能的原则，达到“热尽其用”的目的，提高了能量利用率，节约了能源。

3） 热效率高。本发明利用高温转化气再加热氦气，这部分换热量属于重热利用；另外氦气轮机的排气余热得到了回收利用并作为制氢系统的输入热，由此减少了大量的冷源损失，因此整个系统的热效率非常高。

本发明与核能单纯制氢模式相比较，其优点在于：本发明在相同的制氢条件下实现了氢电联产方式，可以得到额外多余的电能，势必产生更大的经济效益。

本发明与核能单纯发电模式相比较，其特点在于：本发明受限于氦气轮机的进口温度较低，使得发电效率有所降低，发电成本相对较高，但是这点不足可以从所得氢气产品的收益进行补偿，氢气产品的价格越高，本发明所具有的优势就越发显著。

综上所述，本发明将核能闭式循环发电方式与天然气水蒸气转化制氢工艺结合起来，实现了同一股氦气流先制氢后发电的氢电联产方式，具有能量梯级利用、热效率高等特点，具有很高的经济价值和良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

一、装置

本发明是一种高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统，它包括核能发电系统1、制氢系统2、高压氦气再热器3、甲烷输送管道4、给水管道5、水蒸汽管道6、氢气输送管道7。

所述的核能发电系统1由高温气冷堆11、压缩机12、氦氦换热器13、氦气轮机14、冷却器15组成；所述的高温气冷堆11与氦氦换热器13的一次侧连接形成核电站一回路；所述的压缩机12与氦氦换热器13的二次侧、氦气轮机14、冷却器15连接构成核电站二回路部分；所述的氦氦换热器13的二次侧氦气出口131与制氢系统2连接；所述的氦气轮机14的进口141与高压氦气再热器3连接；所述的制氢系统2由转化反应器21、低压水蒸汽发生器22、中温变换器23、甲烷预热器24、给水除氧器25、变压吸附器26、转化气管道27组成；所述的转化反应器21的原料进口211与甲烷输送管道4、水蒸汽管道6相连接；转化反应器21的转化气出口212通过转化气管道27与氢气输送管道7连接，并在转化气管道27上依次设置高压氦气再热器3、低压水蒸汽发生器22、中温变换器23、甲烷预热器24、给水除氧器25、变压吸附器26；转化反应器21的氦气进口213与核能发电系统1氦氦换热器13的二次侧氦气出口131连接；所述的高压氦气再热器3的转化气进口31与制氢系统2转化反应器21的转化气出口212连接；高压氦气再热器3的转化气出口32与制氢系统2低压水蒸汽发生器22的转化气进口221连接；高压氦气再热器3的氦气进口33与制氢系统2转化反应器21的氦气出口214连接；高压氦气再热器3的氦气出口34与核能发电系统1氦气轮机14的进口141连接；所述的甲烷输送管道4与甲烷预热器24的壳程相连通，并与转化反应器21的原料进口211连接；所述的给水管道5螺旋或曲折穿过核能发电系统1冷却器15后与制氢系统2给水除氧器25的壳程相连通，并与低压水蒸汽发生器22的给水进口222连接；所述的低压水蒸汽发生器22的蒸汽出口223通过水蒸汽管道6与转化反应器21的原料进口211连接。

所述的转化反应器21的氦气出口214温度在350～400℃之间，转化反应器21的转化气出口212温度在750～800℃之间；所述的高压氦气再热器3的氦气出口34温度在550～650℃之间，高压氦气再热器3的转化气出口32温度在400～450℃之间。

二、方法

本发明是一种高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电的方法，它包括以下过程：

1）核电站一回路的氦气从高温气冷堆11进行吸热，通过氦氦换热器13的一次侧向二次侧进行放热。核电站二回路的氦气经压缩机12压缩后，进入氦氦换热器13的二次侧进行吸热，形成高温高压氦气；高温高压氦气进入制氢系统2转化反应器21的壳程进行放热，变成低温高压氦气；低温高压氦气进入高压氦气再热器3吸收从转化反应器21引出的高温转化气的放热量，温度再次升高成为中高温高压氦气；中高温高压氦气进入氦气轮机14做功发电，氦气轮机14排放的氦气经过冷却器15被给水冷却后重新进入压缩机12完成一个循环。

2）天然气经过甲烷预热器24被加热后进入转化反应器21的转化传热管内；给水经过核能发电系统1的冷却器15被加热为热水，热水进入制氢系统2的给水除氧器25进一步加热除氧，然后除氧水进入低压水蒸汽发生器22内吸收转化气的热量变成饱和水蒸汽，饱和水蒸汽与预热天然气一起进入转化反应器21的转化传热管内发生反应，生成主要成分为氢气和一氧化碳的高温转化气，高温转化气先经过高压氦气再热器3进行放热用于加热氦气，再进入低压水蒸汽发生器22进行放热用于产生水蒸汽，然后转化气进入中温变换器23进一步反应，生成主要成分为氢气和二氧化碳的混合气，混合气依次经过甲烷预热器24和给水除氧器25放出余热，最后经过变压吸附器26过滤掉二氧化碳后得到纯净氢气。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统，其特征在于：它包括核能发电系统、制氢系统、高压氦气再热器、甲烷输送管道、给水管道、水蒸汽管道、氢气输送管道；所述的核能发电系统由高温气冷堆、压缩机、氦氦换热器、氦气轮机、冷却器组成；所述的高温气冷堆与氦氦换热器的一次侧连接形成核电站一回路；所述的压缩机与氦氦换热器的二次侧、氦气轮机、冷却器连接构成核电站二回路部分；所述的氦氦换热器的二次侧氦气出口与制氢系统连接；所述的氦气轮机的进口与高压氦气再热器连接；所述的制氢系统由转化反应器、低压水蒸汽发生器、中温变换器、甲烷预热器、给水除氧器、变压吸附器、转化气管道组成；所述的转化反应器的原料进口与甲烷输送管道、水蒸汽管道相连接；转化反应器的转化气出口通过转化气管道与氢气输送管道连接，并在转化气管道上依次设置高压氦气再热器、低压水蒸汽发生器、中温变换器、甲烷预热器、给水除氧器、变压吸附器；转化反应器的氦气进口与核能发电系统氦氦换热器的二次侧氦气出口连接；所述的高压氦气再热器的转化气进口与制氢系统转化反应器的转化气出口连接；高压氦气再热器的转化气出口与制氢系统低压水蒸汽发生器的转化气进口连接；高压氦气再热器的氦气进口与制氢系统转化反应器的氦气出口连接；高压氦气再热器的氦气出口与核能发电系统氦气轮机的进口连接；所述的甲烷输送管道与制氢系统甲烷预热器的壳程相连通，并与转化反应器的原料进口连接；所述的给水管道螺旋或曲折穿过核能发电系统冷却器后与制氢系统给水除氧器的壳程相连通，并与低压水蒸汽发生器的给水进口连接；所述的低压水蒸汽发生器的蒸汽出口通过水蒸汽管道与转化反应器的原料进口连接。

2.根据权利要求1所述的高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统，其特征在于：所述的转化反应器的氦气出口温度在350～400℃之间，转化反应器的转化气出口温度在750～800℃之间；所述的高压氦气再热器的氦气出口温度在550～650℃之间，高压氦气再热器的转化气出口温度在400～450℃之间。

3.采用权利要求1所述的高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统的方法，其特征在于：包括以下过程：

1）核电站一回路的氦气从高温气冷堆进行吸热，通过氦氦换热器的一次侧向二次侧进行放热，核电站二回路的氦气经压缩机压缩后，进入氦氦换热器的二次侧进行吸热，形成高温高压氦气；高温高压氦气进入转化反应器的壳程进行放热，变成低温高压氦气；低温高压氦气进入高压氦气再热器吸收从转化反应器引出的高温转化气的放热量，温度再次升高成为中高温高压氦气；中高温高压氦气进入氦气轮机做功发电，氦气轮机排放的氦气经过冷却器被给水冷却后重新进入压缩机完成一个循环；

2）天然气经过甲烷预热器被加热后进入转化反应器的转化传热管内；给水经过核能发电系统的冷却器被加热为热水，热水进入制氢系统的给水除氧器进一步加热除氧，然后除氧水进入低压水蒸汽发生器内吸收转化气的热量变成饱和水蒸汽，饱和水蒸汽与预热天然气一起进入转化反应器的转化传热管内发生反应，生成主要成分为氢气和一氧化碳的高温转化气，高温转化气先经过高压氦气再热器进行放热用于加热氦气，再进入低压水蒸汽发生器进行放热用于产生水蒸汽，然后转化气进入中温变换器进一步反应，生成主要成分为氢气和二氧化碳的混合气，混合气依次经过甲烷预热器和给水除氧器放出余热，最后经过变压吸附器过滤掉二氧化碳后得到纯净氢气。