CN113587185A - 一种核电机组的供热系统及供热系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种核电机组的供热系统及供热系统的控制方法，所述系统包括至少两台低压缸、凝汽器、热泵、循环泵和热网加热器，每台低压缸均连接有凝汽器，其中一台凝汽器一侧回路出口与热泵低温热源入口管道连通，凝汽器一侧回路入口与热泵低温热源出口管道连通；凝汽器二侧回路入口设有热网回水管路，循环泵设于所述热网回水管路上，凝汽器二侧回路出口与热泵被加热循环水入口管道连通，热泵被加热循环水出口与热网加热器管道连通。本发明将高背压循环水供热和吸收式热泵供热两种供热形式相互耦合，可以在不重新设计低压缸的前提下实现长期安全稳定运行，并实现了能量梯级利用，提高机组的热效率。

Description

一种核电机组的供热系统及供热系统的控制方法
技术领域
本发明属于供热技术领域，特别涉及一种核电机组的供热系统及供热系统的控制方法。
背景技术
热电联产机组主流的供热技术路线之一乏汽/循环水余热利用技术是利用汽轮机乏汽/循环水低温余热，从而回收冷源损失的热电联产技术，主要有高背压循环水供热和吸收式热泵供热两种。此类机组大多是为适应北方采暖供热出现的改造型机组，大都是由纯凝或抽凝机组改造而成。高背压循环水供热技术将汽轮机低压缸排汽的冷源损失全部转移至热网循环水从而提高机组热效率。国内目前仅应用于火电机组中，核电机组尚无应用案例。现有技术中典型的火电厂热电联产高背压循环水供热，如图1所示，供热期提高汽轮机运行背压至30～45kPa，凝汽器的排汽温度升高，将凝汽器作为热网循环水的第一级加热器，充分利用凝汽式机组排汽的汽化潜热加热循环水，提高循环水出口温度到65～75℃。热网循环水首先经过凝汽器进行第一次加热，吸收低压缸排汽潜热，然后再经过热网加热器完成第二次加热，再次提高供水温度，送至热水管网通过二级换热站与二级热网循环水进行换热，高温热水冷却后再回到机组凝汽器，构成一个完整的循环回路，热网加热器的加热蒸汽来源可选择本机或临机汽轮机中间抽汽。
相比于其他清洁供暖方式，核能供热具有零碳清洁、供热成本低、运行稳定等多重优势，是当前不可多得的、较为成熟的替代一次能源、满足大规模集中供暖基本负荷需求的方法，蕴藏着巨大的市场空间。然而，常规的高背压循环水供热方案存在两个问题：1、现有成熟的核电汽轮机均需要对低压缸通流等进行重新设计，才能够实现在高背压下长期安全运行；2、核电汽轮机所需的循环冷却水量巨大，往往难以与热负荷对应的热网水量相匹配。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种核电机组的供热系统及供热系统的控制方法，采用“低压缸双背压+热泵+梯级加热”的综合方案，即结合高背压循环水供热和吸收式热泵供热两种方式的供热形式，可以在不重新设计低压缸的前提下实现机组长期安全稳定运行，并实现了能量梯级利用，提高机组的热效率。
为了实现上述目的，采用以下技术方案：
一种核电机组的供热系统，所述系统包括至少两台低压缸、凝汽器、热泵、循环泵和热网加热器，每台低压缸均连接有凝汽器，其中一台凝汽器一侧回路出口与热泵低温热源入口管道连通，凝汽器一侧回路入口与热泵低温热源出口管道连通；凝汽器二侧回路入口与热网回水管路连通，循环泵设于所述热网回水管路上，热网循环水在凝汽器内进行一级加热，凝汽器二侧回路出口与热泵被加热循环水入口管道连通，热网循环水在热泵内进行二级加热，热泵被加热循环水出口与热网加热器管道连通，热网循环水在热网加热器内进行三级加热。
优选地，相邻凝汽器之间通过管道连通，连通凝汽器的管道上设置有隔离阀或堵板。
优选地，所述系统还包括高压缸或中压缸排汽管路，热泵高温热源入口和热网加热器均连接有所述高压缸或中压缸排汽管路。
供热系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、将核电机组其中一台凝汽器作为目标凝汽器与其余的凝汽器隔离，提高与目标凝汽器连接的低压缸的运行背压；
S2、以所述目标凝汽器为操作对象，将热网循环水通过所述热网回水管路从凝汽器二侧回路入口进入凝汽器内进行一级加热；凝汽器一侧回路的循环水经凝汽器加热后进入热泵作为低温热源供热，供热完成后再经热泵回流至凝汽器内进行循环；
S3、凝汽器二侧回路的热网循环水经一级加热后从凝汽器进入热泵进行二级加热；
S4、凝汽器二侧回路的热网循环水经二级加热后从热泵进入热网加热器进行三级加热，再从热网加热器流出对外供热。
优选地，步骤S1中提高所述运行背压至11-20kPa。
优选地，凝汽器二侧回路的热网循环水在凝汽器内经加热后温度为45-58℃；凝汽器一侧回路的热网循环水在凝汽器内经加热后温度≥40℃。
优选地，凝汽器二侧回路的热网循环水在热泵内经加热后温度为80-90℃。
优选地，凝汽器二侧回路的热网循环水在热网加热器内经加热后温度为110-130℃。
优选地，凝汽器二侧回路的热网循环水为热网回水。
优选地，步骤S4中，凝汽器二侧回路的热网循环水通过循环泵升压后从热泵进入热网加热器内。
优选地，凝汽器一侧回路的循环水管道引入海水或淡水。
优选地，热泵的高温热源和热网加热器的三级加热源均来自核电机组的高压缸或中压缸排汽，高压缸或中压缸排汽通过所述高压缸或中压缸排汽管路分别进入热泵的高温热源入口和热网加热器内。
本发明的提出了“低压缸双背压+热泵+梯级加热”的综合方案，即结合高背压循环水供热和吸收式热泵供热两种方式的新的供热形式，热网回水通过循环泵加压后，依次经过凝汽器、热泵、热网加热器三次加热完成了梯级加热。其中凝汽器加热热源为低品位的低压缸乏汽余热，热泵加热热源为部分低品位的循环水余热+部分高品位的高压缸/中压缸排汽，热网加热器加热热源为高品位的高压缸/中压缸排汽，实现了能量梯级利用，提高了能源利用率，同时可以在不重新设计低压缸的前提下实现机组长期安全稳定运行。
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。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
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的供热系统；
图2示出了根据本发明实施例的能量梯级利用供热系统；
图3示出了根据本发明实施例的能量梯级利用供热方法；
图中：1、低压缸；2、凝汽器；3、热泵；4、循环泵；5、热网加热器。
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。
一种核电机组的供热系统，所述系统包括1号和2号两台压水堆核电机组，1号机组包括三台低压缸1、凝汽器2、热泵3、循环泵4、热网加热器5和高压缸排汽管路，每台低压缸均连接有凝汽器，其中一台凝汽器一侧回路出口与热泵低温热源入口管道连通，凝汽器一侧回路入口与热泵低温热源出口管道连通；凝汽器二侧回路入口与热网回水管路连通，循环泵设于所述热网回水管路上，热网循环水在凝汽器内进行一级加热，凝汽器二侧回路出口与热泵被加热循环水入口管道连通，热网循环水在热泵内进行二级加热，热泵被加热循环水出口与热网加热器管道连通，热网循环水在热网加热器内进行三级加热；相邻凝汽器之间通过管道连通，连通凝汽器的管道上设置有隔离阀或堵板，隔离阀为真空蝶阀；热泵高温热源入口和热网加热器均连接有所述高压缸排汽管路。一台凝汽器内有两路循环水管道，通常为便于区分，将供热期间与循环泵连接的管路称为热网水侧，即所述凝汽器二侧回路；作为热泵低温热源与热泵连通的一侧称为热泵热源侧，即所述凝汽器一侧回路。
本发明核电机组的供热系统适用于压水堆核电机组或高温气冷堆机组。
一种压水堆核电机组的供热系统的控制方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1、1号核电机组三台低压缸分别为低压缸A、低压缸B和低压缸C，三台低压缸分别对应设有凝汽器A、凝汽器B和凝汽器C，凝汽器A、凝汽器B和凝汽器C均包含两侧回路，各回路中设有进水管路和出水管路，回路中引入海水作为循环水，供热期将1号核电机组其中凝汽器C通过关闭隔离阀与相邻的凝汽器B进行隔离，提高与目标凝汽器C连接的低压缸C的运行背压至11-20kPa，低压缸A和低压缸B运行背压不变，2号机低压缸背压维持不变；
S2、以1号机凝汽器C为操作对象，将凝汽器二侧回路引入的海水切换为热网回水，将热网回水经过循环泵升压后，通过所述热网回水管路从凝汽器二侧回路入口进入凝汽器内进行一级加热，被乏汽加热至45℃(该温度为示例性地，还可以加热到50℃、52℃或58℃等不同温度)；凝汽器一侧回路引入海水作为循环水经凝汽器加热升温至40℃以上后进入热泵作为低温热源供热，供热完成后再经热泵回流至凝汽器内进行循环；
S3、凝汽器二侧回路的热网回水经一级加热后从凝汽器进入热泵进行二级加热至90℃；
S4、凝汽器二侧回路的热网回水经二级加热后从热泵进入热网加热器进行三级加热，加热至120℃(该温度为示例性地，还可以加热到110℃、125℃或130℃等不同温度)后对外供出；其中，1号机低压缸高背压运行后无法进行大流量抽汽，热泵的高温热源及热网加热器的三级加热源均来自2号机高压缸排汽，高压缸排汽通过所述高压缸排汽管路分别进入热泵的高温热源入口和热网加热器内。以上步骤中的温度均为示例性温度，不限于示例中的数值。
经与汽轮机厂配合，在采用现有成熟低压缸通流设计的基础上，长期安全稳定运行的最高背压约为11-20kPa。供热期只需要对高背压运行的凝汽器进行隔离并调整三个凝汽器的循环水流量，即可实现将其中一个低压缸的背压提高到11-20kPa，另外两个低压缸维持3.6-3.9kPa正常背压运行，不需要对低压缸进行重新设计或大幅通流改造。
同时，为解决核电汽轮机所需的冷却水量巨大，与热负荷对应的热网水量不匹配的问题，将热网回水全部引入1台机提高背压的凝汽器的二侧循环水管道，一侧循环水管道仍引入海水。因目标凝汽器背压升高，海水排水温度同样升高至40℃以上，满足利用热泵的条件，利用热泵吸收温排水的余热，从而对热网回水进行二级加热。
综上所述，本发明将1台机组的三个低压缸中的一个低压缸运行背压提高，并将热网回水全部引入该低压缸对应的凝汽器的单侧循环水管道，吸收该低压缸乏汽热量，再通过热泵、热网加热器逐级提高水温至110-130℃。解决了压水堆核电机组高背压循环水供热实施过程中，在不修改低压缸成熟设计的前提下，提高背压，并维持系统安全稳定运行的问题。同时解决了核电汽轮机所需的冷却水量巨大，与热负荷对应的热网水量不匹配的问题。目前多个大型压水堆核电机组供热可行性研究正在进行，本发明具有广泛的应用前景。
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 (12)

1.一种核电机组的供热系统，其特征在于，所述系统包括至少两台低压缸(1)、凝汽器(2)、热泵(3)、循环泵(4)和热网加热器(5)，每台低压缸(1)均连接有凝汽器(2)，其中一台凝汽器(2)一侧回路出口与热泵(3)低温热源入口管道连通，凝汽器(2)一侧回路入口与热泵(3)低温热源出口管道连通；凝汽器(2)二侧回路入口与热网回水管路连通，循环泵(4)设于所述热网回水管路上，热网循环水在凝汽器(2)内进行一级加热，凝汽器(2)二侧回路出口与热泵(3)被加热循环水入口管道连通，热网循环水在热泵(3)内进行二级加热，热泵(3)被加热循环水出口与热网加热器(5)管道连通，热网循环水在热网加热器(5)内进行三级加热。
2.根据权利要求1所述的核电机组的供热系统，其特征在于，相邻凝汽器(2)之间通过管道连通，连通凝汽器(2)的管道上设置有隔离阀或堵板。
3.根据权利要求1所述的核电机组的供热系统，其特征在于，所述系统还包括高压缸或中压缸排汽管路，热泵(3)高温热源入口和热网加热器(5)均连接有所述高压缸或中压缸排汽管路。
4.根据权利要求1-3任一所述供热系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将核电机组其中一台凝汽器(2)作为目标凝汽器(2)与其余的凝汽器(2)隔离，提高与目标凝汽器(2)连接的低压缸(1)的运行背压；
S2、以所述目标凝汽器(2)为操作对象，将热网循环水通过所述热网回水管路从凝汽器(2)二侧回路入口进入凝汽器(2)内进行一级加热；凝汽器(2)一侧回路的循环水经凝汽器(2)加热后进入热泵(3)作为低温热源供热，供热完成后再经热泵(3)回流至凝汽器(2)内进行循环；
S3、凝汽器(2)二侧回路的热网循环水经一级加热后从凝汽器(2)进入热泵(3)进行二级加热；
S4、凝汽器(2)二侧回路的热网循环水经二级加热后从热泵(3)进入热网加热器(5)进行三级加热，再从热网加热器(5)流出对外供热。
5.根据权利要求4所述的供热系统的控制方法，其特征在于，步骤S1中提高所述运行背压至11-20kPa。
6.根据权利要求4所述的供热系统的控制方法，其特征在于，凝汽器(2)二侧回路的热网循环水在凝汽器(2)内经加热后温度为45-58℃；凝汽器(2)一侧回路的循环水在凝汽器(2)内经加热后温度≥40℃。
7.根据权利要求4所述的供热系统的控制方法，其特征在于，凝汽器(2)二侧回路的热网循环水在热泵(3)内经加热后温度为80-90℃。
8.根据权利要求4所述的供热系统的控制方法，其特征在于，凝汽器(2)二侧回路的热网循环水在热网加热器(5)内经加热后温度为110-130℃。
9.根据权利要求4-8任一所述的供热系统的控制方法，其特征在于，凝汽器(2)二侧回路的热网循环水为热网回水。
10.根据权利要求4-8任一所述的供热系统的控制方法，其特征在于，步骤S4中，凝汽器(2)二侧回路的热网循环水通过循环泵(4)升压后从热泵(3)进入热网加热器(5)内。
11.根据权利要求4-8任一所述的供热系统的控制方法，其特征在于，凝汽器(2)一侧回路的循环水管道引入海水或淡水。
12.根据权利要求11所述的供热系统的控制方法，其特征在于，热泵(3)的高温热源和热网加热器(5)的三级加热源均来自核电机组的高压缸或中压缸排汽，高压缸或中压缸排汽通过所述高压缸或中压缸排汽管路分别进入热泵(3)的高温热源入口和热网加热器(5)内。
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