CN105551554A - 高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统及方法，它包括高温气冷堆、转化反应器、蒸汽发生器、冷却剂循环泵、蒸汽过热器、汽轮发电机组、冷凝器、给水泵、中温变换器、抽汽管道、天然气管道。高温气冷堆的氦气出口与转化反应器的氦气进口连接；转化反应器的氦气出口与蒸汽发生器连接，转化反应器的转化气出口与蒸汽过热器连接；蒸汽发生器的水蒸汽出口与蒸汽过热器的水蒸汽进口连接；蒸汽过热器的水蒸汽出口与汽轮发电机组的进汽口连接；汽轮发电机组的抽汽口引出一股蒸汽与转化反应器的原料进口连接；本发明实现了氢电联产模式，具有温度匹配、热利用率高、制氢成本低、蒸汽循环效率高等特点，具有良好的经济效益和应用前景。

Description

高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统及其方法

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直接制氢耦合蒸汽循环发电系统及其方法。

背景技术

随着我国核电事业的发展，高温气冷堆有可能成为今后主要实施的先进堆型。目前高温气冷堆的堆芯出口温度已高达950℃，不仅可用于高效发电，还可用于提供高温工艺热，其中最具前景的热利用方式是制氢。高温气冷堆用于发电可采用的热力循环方式有氦气循环、蒸汽循环和氦气-蒸汽联合循环三种。现阶段的主流是带有间冷器和回热器的布雷顿闭式氦气循环，该循环的效率可高达48%，但是制造高性能的氦气轮机和高效紧凑的回热器仍是待解决的关键难题，除此之外，随着高温气冷堆的技术发展，堆芯的出口温度将进一步提高到1000℃以上，为了使氦气循环处于最佳效率范围内，堆芯的进口温度也应相应提高，这点对于反应堆的材料强度要求将更高，并且回热器的作用将被削弱，从而使氦气循环进一步提高效率受到很大的限制。高温气冷堆若采用蒸汽循环发电，与火力发电相似，在技术上非常成熟，但由于金属材料的限制目前过热蒸汽最高温度大约是600℃，因此循环效率处在40～47%之间无法再提高。另外高温气冷堆的堆芯出口温度950℃与蒸汽最高温度600℃并不匹配，由此造成高品位热能的贬值利用，而且随着堆芯出口温度进一步提高，这种热能贬值利用情况将加剧，因此高温气冷堆并不大适合单独采用蒸汽循环。高温气冷堆若采用氦气-蒸汽联合循环，有利于克服上述两种循环的不足之处，在理论上可以达到更高的效率，但是整个系统将变得很复杂，同时氦气轮机的制造依然是关键性问题。综上所述分析可知，高温气冷堆单纯用于发电的技术途径目前尚未完善，而另一方面核能制氢被认为是最具潜力的热利用途径，因此可以考虑将核能制氢工艺与核能发电方式进行耦合，先通过制氢工艺高效利用高温气冷堆的高品位热能，再充分利用蒸汽循环技术成熟的优势进行发电，将是一条技术上和经济上更加可行的途径。当今我国成熟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，因此核能制氢工艺可考虑继续沿用该方法。如何将核能制氢工艺和蒸汽循环发电技术进行良好地耦合，还需要重点考虑以下两方面的问题：一是经过制氢工艺放热后的氦气温度相对较低，大约处在400~500℃之间，无法用于生产足够高温度的过热蒸汽，蒸汽循环的效率比较低；二是制氢工艺目前也存在能耗较高的问题，从转化炉出来的转化气温度一般在750～800℃之间，该转化气一般进入低压水蒸汽发生器用于加热给水产生3.5MPa、245℃的饱和水蒸汽作为工艺用汽，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。综上分析可知，为了进一步体现耦合系统的经济性和应用性，核能制氢耦合蒸汽循环发电的方式应着力于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温度匹配、热利用率高、制氢成本低、蒸汽循环效率高的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统。

本发明的另一个目的在于提供一种将核能制氢工艺和蒸汽循环发电方式相耦合，实现氢电联产的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电的方法。

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直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，它包括高温气冷堆、转化反应器、蒸汽发生器、冷却剂循环泵、蒸汽过热器、汽轮发电机组、冷凝器、给水泵、中温变换器、抽汽管道、天然气管道。所述的高温气冷堆的氦气出口与转化反应器的氦气进口连接，高温气冷堆的氦气进口与蒸汽发生器的氦气出口连接，并在连接管道上布置冷却剂循环泵；所述的转化反应器的氦气出口与蒸汽发生器的氦气进口连接，转化反应器的转化气出口与蒸汽过热器的转化气进口连接；所述的蒸汽发生器的水蒸汽出口与蒸汽过热器的水蒸汽进口连接，蒸汽发生器的给水进口与汽轮发电机组的排汽口连接，并在连接管道上布置冷凝器和给水泵；所述的蒸汽过热器的转化气出口与中温变换器连接，蒸汽过热器的水蒸汽出口与汽轮发电机组的进汽口连接；所述的汽轮发电机组从汽缸某级抽汽口引出一股蒸汽通过抽汽管道与转化反应器的原料进口连接；所述的天然气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400～450℃之间，转化反应器的转化气出口温度在750～800℃之间；所述的蒸汽发生器的水蒸汽出口温度在324～374℃之间；所述的蒸汽过热器的转化气出口温度在350～400℃之间，蒸汽过热器的水蒸汽出口温度在500～550℃之间；所述的汽轮发电机组的抽汽口温度在245～300℃之间。

本发明是一种高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电的方法，它包括以下过程：

1)从高温气冷堆引出的超过950℃的高温氦气进入转化反应器的壳程进行放热变成400～450℃的中温氦气，中温氦气进入蒸汽发生器进行放热变成低温氦气，低温氦气经冷却剂循环泵重新送至高温气冷堆完成一次氦气循环。

2)从冷凝器引出的凝结水经给水泵加压后进入蒸汽发生器进行吸热变成温度为324～374℃、湿度为0.5%的饱和蒸汽，饱和蒸汽进入蒸汽过热器进行吸热变成500～550℃的过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮发电机组做功发电，对应的排汽进入冷凝器进行放热变成凝结水完成一次汽水循环。

3)从汽轮发电机组引出的245～300℃的抽汽与来自天然气管道的预热天然气一起进入转化反应器的转化传热管内进行吸热并发生化学反应得到750～800℃的高温转化气，高温转化气经过蒸汽过热器进行放热变成350～400℃的中温转化气，中温转化气进入中温变换器并进行后续的制氢流程。

采用上述方案后，本发明具有以下几个优点：

1）高温气冷堆的同一股氦气先用于制氢，再用于发电，实现了氢气电力联合生产的功能。

2）氦气的高品位热能用于制氢，制氢后的低品位热能用于蒸汽发电，符合温度匹配、按质用热、热尽其用的原则，提高了热利用率。

3）制氢工艺采用汽轮发电机组引出的抽汽作为其工艺用汽，无需设置自身蒸汽系统，简化了制氢工艺的流程及设备，有效地降低了制氢的成本。

4）蒸汽发电系统通过蒸汽过热器有效利用了制氢工艺高温转化气的余热，提高了新蒸汽的初温，进而提高了蒸汽发电的循环效率。

5）制氢工艺为蒸汽发电系统提供高温的热能，蒸汽发电系统为制氢工艺提供所需的工艺用汽，两者实现了很好的耦合。

综上所述，本发明将核能制氢工艺和蒸汽循环发电方式很好地耦合起来，实现了氢电联产模式，具有温度匹配、热利用率高、制氢成本低、蒸汽循环效率高等特点，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直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，它包括高温气冷堆10、转化反应器1、蒸汽发生器2、冷却剂循环泵3、蒸汽过热器4、汽轮发电机组5、冷凝器6、给水泵7、中温变换器8、抽汽管道9、天然气管道20。

所述的高温气冷堆10的氦气出口101与转化反应器1的氦气进口11连接，高温气冷堆10的氦气进口102与蒸汽发生器2的氦气出口21连接，并在连接管道上布置冷却剂循环泵3；所述的转化反应器1的氦气出口12与蒸汽发生器2的氦气进口22连接，转化反应器1的转化气出口13与蒸汽过热器4的转化气进口41连接；所述的蒸汽发生器2的水蒸汽出口23与蒸汽过热器4的水蒸汽进口42连接，蒸汽发生器2的给水进口24与汽轮发电机组5的排汽口51连接，并在连接管道上布置冷凝器6和给水泵7；所述的蒸汽过热器4的转化气出口43与中温变换器8连接，蒸汽过热器4的水蒸汽出口44与汽轮发电机组5的进汽口52连接；所述的汽轮发电机组5从汽缸某级抽汽口53引出一股蒸汽通过抽汽管道9与转化反应器1的原料进口14连接；所述的天然气管道20与转化反应器1的原料进口14连接。

所述的转化反应器1的氦气出口12温度在400～450℃之间，转化反应器1的转化气出口13温度在750～800℃之间；所述的蒸汽发生器2的水蒸汽出口23温度在324～374℃之间；所述的蒸汽过热器4的转化气出口43温度在350～400℃之间，蒸汽过热器4的水蒸汽出口44温度在500～550℃之间；所述的汽轮发电机组5的抽汽口53温度在245～300℃之间。

二、方法

本发明是一种高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电的方法，它包括以下过程：

1)从高温气冷堆10引出的超过950℃的高温氦气进入转化反应器1的壳程进行放热变成400～450℃的中温氦气，中温氦气进入蒸汽发生器2进行放热变成低温氦气，低温氦气经冷却剂循环泵3重新送至高温气冷堆10完成一次氦气循环。

2）从冷凝器6引出的凝结水经给水泵7加压后进入蒸汽发生器2进行吸热变成温度为324～374℃、湿度为0.5%的饱和蒸汽，饱和蒸汽进入蒸汽过热器4进行吸热变成500～550℃的过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮发电机组5做功发电，对应的排汽进入冷凝器6进行放热变成凝结水完成一次汽水循环。

3）从汽轮发电机组5引出的245～300℃的抽汽与来自天然气管道20的预热天然气一起进入转化反应器1的转化传热管内进行吸热并发生化学反应得到750～800℃的高温转化气，高温转化气经过蒸汽过热器4进行放热变成350～400℃的中温转化气，中温转化气进入中温变换器8并进行后续的制氢流程。

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)

1.一种高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，其特征在于：它包括高温气冷堆、转化反应器、蒸汽发生器、冷却剂循环泵、蒸汽过热器、汽轮发电机组、冷凝器、给水泵、中温变换器、抽汽管道、天然气管道；所述的高温气冷堆的氦气出口与转化反应器的氦气进口连接，高温气冷堆的氦气进口与蒸汽发生器的氦气出口连接，并在连接管道上布置冷却剂循环泵；所述的转化反应器的氦气出口与蒸汽发生器的氦气进口连接，转化反应器的转化气出口与蒸汽过热器的转化气进口连接；所述的蒸汽发生器的水蒸汽出口与蒸汽过热器的水蒸汽进口连接，蒸汽发生器的给水进口与汽轮发电机组的排汽口连接，并在连接管道上布置冷凝器和给水泵；所述的蒸汽过热器的转化气出口与中温变换器连接，蒸汽过热器的水蒸汽出口与汽轮发电机组的进汽口连接；所述的汽轮发电机组从汽缸某级抽汽口引出一股蒸汽通过抽汽管道与转化反应器的原料进口连接；所述的天然气管道与转化反应器的原料进口连接。

2.根据权利要求1所述的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统，其特征在于：所述的转化反应器的氦气出口温度在400～450℃之间，转化反应器的转化气出口温度在750～800℃之间；所述的蒸汽发生器的水蒸汽出口温度在324～374℃之间；所述的蒸汽过热器的转化气出口温度在350～400℃之间，蒸汽过热器的水蒸汽出口温度在500～550℃之间；所述的汽轮发电机组的抽汽口温度在245～300℃之间。

3.采用权利要求1所述的高温气冷堆直接制氢耦合蒸汽循环发电系统的方法，其特征在于：包括以下过程：

1)从高温气冷堆引出的超过950℃的高温氦气进入转化反应器的壳程进行放热变成400～450℃的中温氦气，中温氦气进入蒸汽发生器进行放热变成低温氦气，低温氦气经冷却剂循环泵重新送至高温气冷堆完成一次氦气循环；

2）从冷凝器引出的凝结水经给水泵加压后进入蒸汽发生器进行吸热变成温度为324～374℃、湿度为0.5%的饱和蒸汽，饱和蒸汽进入蒸汽过热器进行吸热变成500～550℃的过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮发电机组做功发电，对应的排汽进入冷凝器进行放热变成凝结水完成一次汽水循环；

3）从汽轮发电机组引出的245～300℃的抽汽与来自天然气管道的预热天然气一起进入转化反应器的转化传热管内进行吸热并发生化学反应得到750～800℃的高温转化气，高温转化气经过蒸汽过热器进行放热变成350～400℃的中温转化气，中温转化气进入中温变换器并进行后续的制氢流程。