CN113389606B - 一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热系统及方法，系统包括反应堆、汽轮机组、蒸汽发生器、热网首站和二级换热站；中压缸排汽抽汽直接供热方法包括：主蒸汽进入高压缸做功进入汽水分离再热器，分离后蒸汽进入中压缸形成中压缸排汽；中压缸排汽一部分通过中压缸抽汽管道进入热网首站中的热网加热器对热网循环水进行加热；另一部分进入低压缸做功后，进入凝汽器；热网循环水经热网循环泵升压，继而经热网加热器加热后，进入二级换热站，在二级换热站中与热网用户水进行换热，将热量供至终端用户；本发明中疏水热量浪费少，同时解决了核电工程中压缸排汽压力较低，低负荷时供水温度迅速下降的问题，增强了核电的竞争力。

Description

一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热系统及方法

技术领域

本发明属于核电机组供热技术领域，特别涉及一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热系统及方法。

背景技术

目前，燃煤仍是供热的主要能源，燃煤供热面积约占各类热源的供热总面积的80％。清洁能源采暖占比非常小，每到采暖季，雾霾现象十分严重，急需清洁的供热能源替代常规的燃煤供热。

最近几年，由于国家着力进行产业结构的调整，用电量下降，但建筑总量和采暖需求持续上升，由于无用电负荷热电联产机组难以运行，在东北地区，红沿河核电机组采取降负荷运行，把发电负荷让给一些小的热电联产机组。同时，由于冬季热电联产“以热定电”，不能调峰，导致采暖季弃风电现象严重。

核能属于清洁能源，无烟气排放，替代燃煤热电联产机组，可以改善雾霾。适应未来可能出现的电网供给侧调整带来的核电机组调峰、降负荷压力，有效提高清洁能源在未来能源占比中的份额，扩大核电的竞争力。

在此形势下，大型压水堆核电机组反应堆产生的二回路蒸汽在进入汽轮机带动发电机产生电能的同时，抽取一部分用于向市政供热，是核能发电企业和环保的双重需要。目前国内北方地区大型压水堆核电机组发展迅速，但大都是采用高压缸排汽进行抽汽供热。

现有技术中核电机组的供热抽汽来自核电机组高压缸排汽，具体可参照图1，供热抽汽系统是高压缸和低压缸的配置。汽轮机高压缸和低压缸之间设置汽水分离器，高压缸对主蒸汽作功后，被送入到汽水分离再热器中进行汽水分离后进入低压缸做功。高压缸末级的排汽压力约为0.9MPa.a，湿度达12.6％，焓值较低，约2520kJ/kg，因压力较高，抽汽并未在汽轮机中充分做功，就直接引入热网加热器，会造成较高品质蒸汽的浪费，供热抽汽进入热网加热器后加热热网循环水；同时因湿度较大，抽汽管道上需设置较多的疏水点，及时排放疏水，减少疏水吸收蒸汽热量，因疏水量较大，疏水需引入凝汽器，造成热量的浪费。且抽汽管线宜采用抗湿蒸汽冲刷的低合金钢，加大供热工程投资。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热系统；

所述系统包括汽轮机组；所述汽轮机组包括串联在一根轴上的高压缸、中压缸和低压缸；

其中，

所述高压缸和中压缸之间的高中压连通管上设置汽水分离再热器；

所述中压缸的排汽口通过中低压连通管道与低压缸的进汽口连接，中低压连通管道上设置调节蝶阀，所述调节蝶阀前设置中压缸排汽抽汽管道，所述中压缸排汽抽汽管道抽汽进入热网首站。

进一步地，所述系统还包括反应堆、蒸汽发生器、热网首站和二级换热站；所述反应堆和蒸汽蒸发器通过一回路管道连接，所述蒸汽发生器出口的主蒸汽管道通向汽轮机组的高压缸，所述汽轮机组中压缸排汽经排汽抽汽管道进入热网首站，热网首站与二级换热站连接。

进一步地，所述反应堆为压水堆；所述排汽抽汽管道为普通碳钢。

进一步地，所述热网首站包括热网加热蒸汽单元、热网加热器疏水单元、热网循环水单元和热网补水定压单元；

所述热网加热蒸汽单元将汽轮机中压缸排汽抽汽送至热网加热器中，加热热网循环回水；

所述热网加热器疏水单元将热网加热器中的疏水送至疏水冷却器；

所述热网循环水单元将热网循环回水加压后，送至热网加热器升温，再供至二级换热站；

所述热网补水定压单元向热网循环水泵入口的回水管路上补水且定压。

进一步地，所述热网加热蒸汽单元包括热网加热器、中压缸排汽抽汽管道、安全阀、止回阀和关断阀；

其中，所述安全阀、止回阀和关断阀设置在中压缸排汽抽汽管道上。

进一步地，所述热网加热器疏水单元包括疏水冷却器和凝结水回路；

其中，凝结水回路上设置凝结水调阀组，凝结水调阀组前引出冷却水源管道，所述冷却水源从凝结水调阀组前引出回至凝结水调阀组后；并在冷却水源管道上设置调阀，所述调阀与凝结水调阀组并连；

每台热网加热器配设一台热网疏水冷却器，不设置疏水泵，疏水冷却器出口与凝汽器进口连接。

进一步地，所述热网循环水单元包括热网除污器、热网循环水泵和阀门；

其中，

热网循环水泵设置快启式止回阀旁路；当循环水泵突然停运，供水母管压力骤降水柱瞬间中断时，热网循环水回水管中的水能够通过快启式止回阀迅速进入供水管。

进一步地，所述热网补水定压单元包括正常补水管路和事故补水管路；所述正常补水管路和事故补水管路与热网除污器的回水管连通；正常补水管路上设置补水阀，事故补水管路上设置隔离阀。

本发明还提出了一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热方法，

所述中压缸排汽抽汽直接供热方法包括：

主蒸汽进入高压缸做功，做功后的排汽进入汽水分离再热器，在汽水分离再热器进行汽水分离和再热后，蒸汽进入中压缸，蒸汽在中压缸做功后形成中压缸排汽；

中压缸排汽一部分通过中压缸抽汽管道进入热网首站中的热网加热器对热网循环水进行加热；另一部分中压缸排汽通过中低压连通管道进入低压缸作功后，进入凝汽器；

热网循环水通过补水除氧和定压后，经热网循环泵升压，继而经热网加热器加热后，进入二级换热站，在二级换热站中与热网用户水进行换热，将热量供至终端用户。

进一步地，所述方法还包括：反应堆堆芯水在反应堆中被加热成为高温高压水，流入蒸汽发生器中生成主蒸汽。

进一步地，经中压缸做功后的排汽压力为0.2～0.4MPa.a，温度为140～150℃。

进一步地，所述补水包括正常补水和事故补水，其中，正常补水管路兼做定压管路；

正常补水：开启正常补水阀，补水进入补水除氧器除氧后，经热网补水泵接入热网除污器的回水管上，给热网循环水补水且定压；

事故补水：当热网事故工况下，正常补水量无法满足要求时，开启事故补水管路隔离阀，接入热网除污器前的回水管上。

本发明的优点：

本发明通过在汽轮机组中设置中压缸，蒸汽已经大部分在汽轮机中做了功，且经过了汽水分离再热器的加热后，中压缸排汽为微过热蒸汽，焓值较高，以相同对外供热量来计算，与现有技术相比，可增加发电量13.8％，经济效益可观；同时因过热蒸汽疏水量小，造成的疏水热量浪费少；

本发明通过在中低压连通管道上设置蝶阀，将中压缸排汽压力略作抬升，可在部分负荷工况时维持抽汽压力在0.35MPa.a左右，保证供水温度不下降，解决了核电工程中压缸排汽压力较低，当低负荷时压力更低，低负荷时供水温度将迅速下降的问题；

本发明的排汽抽汽管道上可采用普通碳钢，减少供热工程投资；本发明通过采用压水堆为为反应堆，核能属于清洁能源，无烟气排放，可以改善雾霾，适应未来可能出现的电网供给侧调整带来的核电机组调峰、降负荷压力，有效提高清洁能源在未来能源占比中的份额，扩大核电的竞争力。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据现有技术利用高压缸排汽的系统结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热系统的示意图；

图3示出了本发明实施例中压缸直接排汽抽汽的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明对压水堆核电厂汽轮机缸体设置进行设计，通过设置中压缸，直接在中压缸上进行排汽抽汽，同时将中压缸排汽参数与大规模供热抽汽需求参数匹配，降低抽汽压力，增加抽汽焓值，满足热网供热需求。中压缸进汽为经过汽水分离再热器的过热蒸汽，经由中压缸做功后的中压缸排汽仍为微过热蒸汽，排汽压力适中，约0.2～0.4MPa.a，焓值约2754kJ/kg，从中压缸排汽进入低压缸的中低压联通管上抽汽，抽汽进入热网加热器对热网循环水回水进行加热，采用单级加热器，直接将热网循环水回水加热至热网循环水供水温度。对于大规模抽汽，抽汽在热网加热器冷却成疏水后，可设置另一级疏水冷却器，进一步降低疏水温度后，将疏水直接引入凝汽器。

参照图2，本发明具体提出了压水堆核电机组中压缸排汽抽汽直接供热系统，该系统包括反应堆、蒸汽发生器、汽轮机组、热网首站、二级换热站和相应的仪表、阀门。

参照图2，反应堆采用的是压水堆，反应堆中的冷却剂进入蒸汽发生器。

蒸汽发生器与反应堆连接，蒸汽发生器是核电站一回路和二回路的枢纽，一回路水是由主泵泵入反应堆堆芯水被反应堆堆芯因核燃料裂变产生巨大的热能加热形成的300℃、15MPa.a高温高压水，一回路水从反应堆流入蒸汽发生器的内管中，冷却剂中的热量传给二回路水，二回路水指做完功的蒸汽在凝汽器中凝结成水，由凝汽器将水打入蒸汽发生器的水。当一回路水和二回路水分别流入蒸汽发生器的内外侧时，反应堆中的冷却剂也流进蒸汽发生器，在蒸汽发生器加热二回路水，二回路水由凝汽器冷凝后流至蒸汽发生器，在蒸汽发生器内加热后蒸汽发生器出口生成主蒸汽，主蒸汽进入汽轮机组的高压缸中经高压缸做功。

参照图3，汽轮机组采用的是高压缸、中压缸和低压缸串联在一根轴上的配置，低压缸可配置一个或多个。汽轮机高压缸入口饱和蒸汽温度大概为273℃，压力为5.79MPa.a，高压缸排汽口通过高中压连通管道与中压缸的进汽口连接，在高中压连通管道上设置汽水分离再热器，主蒸汽在高压缸中作功后，被送入到汽水分离再热器中，高压缸末级的排汽湿度很高，达12.6％，在汽水分离再热器中对蒸汽进行汽水分离和再热后再进入中压缸，使进入中压缸的蒸汽湿度降低，降低了高湿度蒸汽低了对中压缸叶片的冲蚀，从而延长汽轮机组的使用寿命。

中压缸的排汽口通过中低压连通管道与低压缸的进汽口连接，中低压连通管道上设置调节蝶阀；调节蝶阀前设置中压缸排汽抽汽管道，中压缸排汽抽汽管道设置两条对中压缸排汽进行同时抽汽，防止汽轮机因进汽不平衡造成的轴系振动等。低压缸的排汽口与凝汽器的进汽口连接，凝汽器的出水口通向蒸汽发生器，构成二回路的循环。

中压缸做功后的蒸汽一部分由中低压连通管进入低压缸中作功后进入凝汽器，另一部分中压缸排汽经中压缸排汽抽汽管道直接进入热网加热器，对进入其中的热网循环水进行加热，形成热网循环供水。调节蝶阀将中压缸排汽压力略作抬升，以确保低负荷时的供汽压力稳定在0.35MPa.a左右，焓值在2754kJ/kg，保证供水温度不下降，以满足供热抽汽最佳参数。中压缸排汽抽汽管道上还设置安全阀、止回阀、关断阀，以确保热负荷突然丧失时不至于超压，防止汽轮机超速，同时减少热网加热器破管造成的汽轮机进水风险；靠近加热器的蒸汽管路上设置两道调节蝶阀，起调节流量和隔断加热器的作用。

参照图2，热网首站设置在汽机房中，根据每台汽轮机组配置一台热网首站和二级换热站设置，同时设置一座联合泵站。热网首站和联合泵站利用汽轮机组抽汽加热热网循环水，加压加热后的热网循环水供至二级换热站。热网首站和联合泵站具体包括热网加热蒸汽单元、热网加热器疏水单元、热网循环水单元以及热网补水定压单元。换热首站的设备包括：热网加热器、疏水冷却器；其中，热网加热器的水侧出口与疏水冷却器的进水口连接，疏水冷却器话语凝结水回路管道连接。联合泵站的设备包括：热网循环水泵、热网除污器、热网补水泵、补水除氧器和热网循环水管道等。

热网加热蒸汽单元将汽轮机中压缸排汽抽汽送至热网加热器中，加热热网循环回水，热网加热器单元包括热网加热器、中压缸排汽抽汽管道、安全阀、止回阀和关断阀；其中，中压缸排汽抽汽管道上设置安全阀、止回阀、关断阀，以确保热负荷突然丧失时不至于超压，防止汽轮机超速，同时减少热网加热器破管造成的汽轮机进水风险。

热网加热器疏水单元包括疏水冷却器和凝结水回路。由中压缸排汽抽汽管道排出的蒸汽进入热网加热器中，蒸汽在热网加热器中对热网循环水进行加热，同时热网加热器内壳侧的疏水在被疏水冷却器冷却后进入凝汽器。热网加热蒸汽单元与热网加热器疏水单元一样，采用单元制形式，可保证单台汽轮机组供出的蒸汽量与热网加热器疏水至回热系统的疏水量保持一致。热网加热器的疏水温度大概为80℃，故设置疏水冷却器，通过采用凝结水将疏水的热量回收后，将80℃的热网加热器中的疏水冷却至35℃，再进入凝汽器。热网加热器中的疏水回至凝汽器，采用压力自流方式，不设置疏水泵。考虑热网加热器的压降，对凝结水回路进行改造，在凝结水回路上设置凝结水调阀组，凝结水调阀组前引出冷却水源管道，从凝结水调阀组前引出冷却水源，回至凝结水调阀组后，并在冷却水源管道上设置调阀，调阀与凝结水调阀组并连。

热网循环水单元将热网循环回水加压后，送至热网加热器升温，再供至二级换热站。热网循环水单元主要包含热网除污器、热网循环水泵以及阀门。

本实施例选取电泵驱动热网循环水泵，原因是小汽机的效率小于主体工程大汽机，因此采用电泵的效率将高于汽泵。60℃的热网循环水回水先经热网除污器排污，再通过两台热网循环水泵加压，然后分成两路，分别进入两台热网加热器升温至120℃，再由循环水供水管将此热网循环水出水送至二级换热站。热网循环水泵设置止回阀旁路，避免水锤对系统的破坏。设置此旁路后，当循环水泵突然停运，供水母管压力骤降时，发生水柱瞬间中断时，热网循环水回水管中的水能够通过快启式止回阀迅速进入供水管，从而达到压力的自平衡。热网加热器的进出口管路均设置电动蝶阀，起到隔离或者切换热网加热器的作用。

热网补水定压单元热网补水定压单元包括热网补水泵、补水除氧器以及管路。管路包括正常补水管路和事故补水管路，正常补水管路和事故补水管路与热网除污器的回水管连通，热网补水定压单元用于对热网循环水泵入口的回水管路上补水且定压，以确保在热网循环泵停运时，供热管网内任何一点均不会发生汽化。

正常补水管路上设置补水阀，事故补水管路上设置隔离阀。正常补水管路兼作定压管路，正常补水：通过开启正常补水阀，循环水进入补水除氧器除氧后，经补水泵接入热网除污器的回水管上，给热网循环水补水且定压。当热网事故工况下，正常补水量无法满足要求时，开启事故补水管隔离阀，接入热网除污器前的回水管上，给热网循环水补水且定压。

补水除氧器的加热蒸汽来自厂区辅助蒸汽母管，经调节阀调节压力后，进入补水除氧器。除氧器采用表面式除氧器，消除二回路被辐射污染时通过补水污染热网水的风险。

本发明的工作方式：

压水堆中核燃料裂变产生巨大的热能，热量加热反应堆堆芯水，加热后的一回路水进入蒸汽发生器中生成主蒸汽，主蒸汽进入汽轮机组的高压缸，经高压缸做功后变为湿蒸汽，湿蒸汽湿度较高，经由汽水分离再热器后转化为过热蒸汽进入中压缸做功，中压缸排汽口至低压缸进汽口的中低压连通管上设置调节蝶阀，在调节蝶阀前引出供热抽汽，调节蝶阀调节中低压连通管上压力为0.2-0.4MPa.a左右，将中压缸抽汽引入热网首站的热网加热器中，热网加热器对抽汽进入进行第一次换热，热网循环水回水先经热网除污器进行排污，再通过热网循环水泵加压，进入热网加热器中，在热网加热器中加热热网循环水回水温度至120℃左右供出至二级换热站，在二级换热站中与热网用户回水进行第二次换热，将热量供至去热网用户。同时，在热网加热器中，供热抽汽凝结为疏水后进入疏水冷却器，疏水冷却器引入二回路凝结水来进一步回收疏水热量后，将换热后的疏水温度控制在约为35℃时自流入二回路的凝汽器，凝汽器将疏水回收运送至主蒸汽形成二回路循环。

本实施例是针对常规热网供回水温度下做的设计。对于采用大温差技术的热网，回水温度低至30℃以下。此时可不必设置疏水冷却器，不必对凝结水回路进行改造，对抽汽热量的利用更加彻底，且系统可进一步简化。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热系统，其特征在于：

所述系统包括汽轮机组；所述汽轮机组包括串联在一根轴上的高压缸、中压缸和低压缸；

其中，

所述高压缸和中压缸之间的高中压连通管上设置汽水分离再热器；

所述中压缸的排汽口通过中低压连通管道与低压缸的进汽口连接，中低压连通管道上设置调节蝶阀，所述调节蝶阀前设置中压缸排汽抽汽管道，所述中压缸排汽抽汽管道抽汽进入热网首站；

所述热网首站包括热网加热蒸汽单元、热网加热器疏水单元、热网循环水单元和热网补水定压单元；其中，所述热网加热蒸汽单元包括热网加热器、中压缸排汽抽汽管道、安全阀、止回阀和关断阀；所述安全阀、止回阀和关断阀设置在中压缸排汽抽汽管道上；所述热网加热器疏水单元包括疏水冷却器和凝结水回路，所述凝结水回路上设置凝结水调阀组，凝结水调阀组前引出冷却水源管道，所述冷却水源从凝结水调阀组前引出回至凝结水调阀组后；并在冷却水源管道上设置调阀，所述调阀与凝结水调阀组并连；每台热网加热器配设一台热网疏水冷却器，不设置疏水泵，疏水冷却器出口与凝汽器进口连接；所述热网循环水单元包括热网除污器、热网循环水泵和阀门，其中，热网循环水泵设置快启式止回阀旁路；所述热网补水定压单元包括正常补水管路和事故补水管路；所述正常补水管路和事故补水管路与热网除污器的回水管连通；正常补水管路上设置补水阀，事故补水管路上设置隔离阀。

2.根据权利要求1所述的一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热系统，其特征在于：

所述系统还包括反应堆、蒸汽发生器、热网首站和二级换热站；所述反应堆和蒸汽蒸发器通过一回路管道连接，所述蒸汽发生器出口的主蒸汽管道通向汽轮机组的高压缸，所述汽轮机组中压缸排汽经排汽抽汽管道进入热网首站，热网首站与二级换热站连接。

3.根据权利要求2所述的一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热系统，其特征在于：

所述反应堆为压水堆；所述排汽抽汽管道为普通碳钢。

4.根据权利要求1所述的一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热系统，其特征在于：

所述热网加热蒸汽单元将汽轮机中压缸排汽抽汽送至热网加热器中，加热热网循环回水；

所述热网加热器疏水单元将热网加热器中的疏水送至疏水冷却器；

所述热网循环水单元将热网循环回水加压后，送至热网加热器升温，再供至二级换热站；

所述热网补水定压单元向热网循环水泵入口的回水管路上补水且定压。

5.根据权利要求3所述的一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热系统，其特征在于：

当循环水泵突然停运，供水母管压力骤降水柱瞬间中断时，热网循环水回水管中的水能够通过快启式止回阀旁路迅速进入供水管。

6.一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热方法，执行权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于：

所述中压缸排汽抽汽直接供热方法包括：

主蒸汽进入高压缸做功，做功后的排汽进入汽水分离再热器，在汽水分离再热器进行汽水分离和再热后，蒸汽进入中压缸，蒸汽在中压缸做功后形成中压缸排汽；

中压缸排汽一部分通过中压缸抽汽管道进入热网首站中的热网加热器对热网循环水进行加热；另一部分中压缸排汽通过中低压连通管道进入低压缸作功后，进入凝汽器；

热网循环水通过补水除氧和定压后，经热网循环泵升压，继而经热网加热器加热后，进入二级换热站，在二级换热站中与热网用户水进行换热，将热量供至终端用户。

7.根据权利要求6所述的一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热方法，其特征在于：

所述方法还包括：反应堆堆芯水在反应堆中被加热成为高温高压水，流入蒸汽发生器中生成主蒸汽。

8.根据权利要求6所述的一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热方法，其特征在于：

经中压缸做功后的排汽压力为0.2～0.4MPa.a，温度为140～150℃。

9.根据权利要求6所述的一种核电机组汽轮机中压缸排汽抽汽直接供热方法，其特征在于：

所述补水包括正常补水和事故补水，其中，正常补水管路兼做定压管路；

正常补水：开启正常补水阀，补水进入补水除氧器除氧后，经热网补水泵接入热网除污器的回水管上，给热网循环水补水且定压；

事故补水：当热网事故工况下，正常补水量无法满足要求时，开启事故补水管路隔离阀，接入热网除污器前的回水管上。