CN115807700A - 一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种通过低压抽汽节流调频的核‑储发电系统及其工作方法，由核能子系统和储能子系统组成。其中，储能子系统包括油水换热器、储热罐等，储热罐分为两部分，一部分只用于储存低温导热油，另一部分含有电加热器；核能子系统包括核反应堆、汽轮机、高/低压加热器等。系统承担基荷时，储能子系统不工作，核能子系统的发电量全部上网；当电网负荷指令降低时，保持堆芯功率不变，核能子系统将多余电力通过电加热器转化为储热子系统中导热油的热能储存起来；当机组需要调频时，用导热油来加热凝结水，从而减少低压加热器抽汽，这部分抽汽返回汽轮机低压缸做功，使机组快速调频。本发明可在保证堆芯功率不变的基础上提高核电的调峰调频能力。

Description

一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统及其工作方法

技术领域

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统及其工作方法。

背景技术

为实现可持续发展，世界各国的能源结构都在向清洁低碳的方向不断调整和发展。在众多可供选择的清洁能源电力中，核电由于零碳排、高功率密度、稳定、技术成熟等优点成为可替代传统化石能源的重要选择。据世界核电厂运行实绩报告(2022)统计，截止2021年底，世界发电反应堆共计436座，总装机容量为370GWe，平均容量因子高达82.4％。核电已经成为世界电力系统的重要组成部分。

我国的核电虽然起步较晚，但始终保持稳中求进的发展战略。自1993年以来，我国核电发电量基本保持稳步增长，发展势头良好，装机容量目前已位居世界第三位。

随着电网中新能源电力的不断增加，其间歇性和波动性对电网的冲击也在不断增加。与此同时，随着社会用电方式的发展，电网峰谷差进一步拉大，这使得电网的灵活性需求大幅提高。我国电网的调峰调频任务主要由火电承担，随着煤价上升，调峰调频成本大幅提高，核电将来极有可能需要分担调峰调频成本。考虑到频繁和快速改变反应堆功率存在一定的技术限制和安全风险，大多数核电站都只承担基荷，难以参与调峰调频。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统及其工作方法，该系统通过将储能和压水堆核电机组相耦合，能够在保持堆芯功率基本不变的前提下提高核电机组的调峰调频能力，为解决核电未来参与调峰调频问题提供参考。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统，由核能子系统和储能子系统组成，所述核能子系统包括核反应堆1、蒸汽发生器2、汽轮机高压缸3、汽轮机低压缸4、发电机5、凝汽器6、低压加热器7、除氧器11、给水泵12和高压加热器13；储热子系统包括油水换热器8、油泵9和储热罐10；其中，核反应堆1作为蒸汽发生器2的热源；蒸汽发生器2的出口连接汽轮机高压缸3的进口，汽轮机高压缸3的出口连接汽轮机低压缸4的进口，汽轮机高压缸3、汽轮机低压缸4与发电机5三者同轴相连，汽轮机低压缸4的出口连接凝汽器6的进口，凝汽器6出口连接低压加热器7的进口，低压加热器7的出口连接除氧器11的进口，除氧器11的出口连接给水泵12的进口，给水泵12的出口连接高压加热器13的进口，高压加热器13的出口连接蒸汽发生器2的进口；储热罐10的出口通过油泵9连接油水换热器8的热端进口，油水换热器8的热端出口通过第三阀门C连接储热罐10的进口；油水换热器8的冷端进口通过第一阀门A连接在低压加热器7的进口母管上，油水换热器8的冷端出口通过第二阀门B连接在低压加热器7的出口母管上；高压加热器13、除氧器11、低压加热器7由抽汽作为热源，具体连接关系为：汽轮机高压缸3的级间抽汽作为高压加热器13的热源，汽轮机高压缸3排汽的抽汽作为除氧器11的热源，汽轮机低压缸4的级间抽汽通过第四阀门D后作为低压加热器7的热源。

用导热油来加热凝结水，从而减少低压加热器7的抽汽，这部分抽汽返回汽轮机低压缸4做功，提高系统的调频能力。

通过电力开关14将超过电网需求的多余电力导入储热罐10中，转化为导热油的热能，提高系统的调峰能力。

保持核反应堆1的功率不变,能够消除堆芯功率频繁快速变化导致的停堆事故，提高核电安全性。

所述储热罐10分为两部分，一部分只用于储存低温导热油，另一部分含有电加热器，电加热器通过电力开关14连接发电机5，且进出口分别设有第三阀门C和油泵9。

所述核反应堆为压水反应堆。

本发明一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统的工作方法如下：

步骤(1)，承担基荷：

保持第二阀门B全开，第一阀门A和第三阀门C全关，此时储能子系统不工作，核能子系统保持压水堆核电机组的100％THA工况运行；高压加热器13出口的过冷水进入蒸汽发生器2中吸热，变为饱和蒸汽时从蒸汽发生器2出口流出并依次进入汽轮机高压缸3、汽轮机低压缸4做功，做完功的乏汽从汽轮机出口排出，进入凝汽器6中凝结为过冷水，随即依次流经低压加热器7、除氧器11、给水泵12后到达高压加热器13进口，完成蒸汽朗肯循环。

步骤(2)，参与调峰：

当电网要求汽轮机组降负荷时，保持第二阀门B全开，第一阀门A和第三阀门C全关，核能子系统将超过电网需求的电力通过储热罐10中的电加热器转化为储热子系统中导热油的热能储存起来以降低上网电量；蒸汽朗肯循环与步骤(1)中相同。

步骤(3)，参与调频：

核能子系统的发电量全部上网，根据调频要求，调整第一阀门A、第二阀门B、第三阀门C和第四阀门D的开度，此时从凝汽器6来的凝结水一部分通过第一阀门A和油水换热器8后进入到下一级，另一部分通过第二阀门B和低压加热器7后进入到下一级；储能子系统将导热油的热能通过油水换热器8转化为凝结水的热能，从而减少低压加热器7的抽汽量，使这部分抽汽返回到汽轮机低压缸4中做功，参与调频。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1.油水换热器可以替代部分低压加热器，减少了汽轮机低压缸的抽汽，使该部分抽汽返回汽轮机低压缸做功，增加核-储发电系统的调频能力；

2.通过核-储耦合的方式改变了压水堆核电站基本只承担基荷的运行模式，能够在电网要求降负荷时将自身多余的电量通过电加热器导入储热罐中实现核电参与调峰的作用。

附图说明

图1为本发明的系统构型示意图。

其中：1-核反应堆，2-蒸汽发生器，3-汽轮机高压缸，4-汽轮机低压缸，5-发电机，6-凝汽器，7-低压加热器，8-油水换热器，9-油泵，10-储热罐，11-除氧器，12-给水泵，13-高压加热器，14-电力开关，A-第一阀门，B-第二阀门，C-第三阀门，D-第四阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统由核能子系统和储能子系统两部分构成。每个部分的主要设备如下：

储热子系统的主要设备为储热罐10，油泵9，油水换热器8。其中，储热罐10分为两部分，一部分只用于存储低温导热油，另一部分含有电加热器，主要作用是将需要调峰的电量通过电加热器转化为导热油的热能并储存起来。

核能子系统的主要设备为核反应堆1，蒸汽发生器2，汽轮机高压缸3，汽轮机低压缸4，发电机5，凝汽器6，低压加热器7，除氧器11，给水泵12，高压加热器13。采用的热力循环方式水(蒸汽)朗肯循环。从给水泵12来的给水经过高压加热器13和蒸汽发生器2后变为饱和蒸汽，之后饱和蒸汽进入到汽轮机高压缸3和汽轮机低压缸4中做功，做完功的乏汽进入凝汽器6中凝结为过冷水，之后过冷水流经低压加热器7或者油水换热器8后进入除氧器11，并在给水泵12的作用下继续这一循环。系统不参与调峰时，发电机5产生的全部电量都输入电网；系统参与调峰时，发电机5产生的电力除了满足电网负荷的那部分外，其他电力均通过电力开关14引入储热罐10中。

系统的各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上可布置阀门、流体机械、仪表。组成系统的其他部分还有辅助设备、电气系统、仪控系统等，以及为满足安全要求的设施。

实例

国内某核电基地压水堆核电机组(CPR1000)，额定发电功率1086MW，蒸汽发生器出口汽温为280.14℃、压力为6.43MPa。通过构造本发明一种可调峰的核-储发电系统及其工作方法，若设置储热子系统的参数如下：

传/储热工质：导热油(Jarytherm AX320)

进/出口温度：60/135℃；进/出口压力：0.5/0.45MPa

循环质量流量：945.0kg/s；低温导热油质量：8549.4t

则核-储发电系统可以在保持堆芯功率不变的基础上拥有调峰时长2h、最大调峰深度达到25％的日调峰能力。

与此同时，若储热子系统将导热油的热能返还为核能子系统中凝结水的热能，可使2号低压加热器全部切出2.5h，在此阶段内，2号低压加热器的抽汽量由原来的68.2kg/s变为0，可使系统的发电功率由1086MW提高到1105MW(增加19MW)，发电效率由37.4％提到到38.1％(增加0.7％)。

Claims (6)

1.一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统，其特征在于：由核能子系统和储能子系统组成，所述核能子系统包括核反应堆(1)、蒸汽发生器(2)、汽轮机高压缸(3)、汽轮机低压缸(4)、发电机(5)、凝汽器(6)、低压加热器(7)、除氧器(11)、给水泵(12)和高压加热器(13)；储热子系统包括油水换热器(8)、油泵(9)和储热罐(10)；其中，核反应堆(1)作为蒸汽发生器(2)的热源；蒸汽发生器(2)的出口连接汽轮机高压缸(3)的进口，汽轮机高压缸(3)的出口连接汽轮机低压缸(4)的进口，汽轮机高压缸(3)、汽轮机低压缸(4)与发电机(5)三者同轴相连，汽轮机低压缸(4)的出口连接凝汽器(6)的进口，凝汽器(6)出口连接低压加热器(7)的进口，低压加热器(7)的出口连接除氧器(11)的进口，除氧器(11)的出口连接给水泵(12)的进口，给水泵(12)的出口连接高压加热器(13)的进口，高压加热器(13)的出口连接蒸汽发生器(2)的进口；储热罐(10)的出口通过油泵(9)连接油水换热器(8)的热端进口，油水换热器(8)的热端出口通过第三阀门(C)连接储热罐(10)的进口；油水换热器(8)的冷端进口通过第一阀门(A)连接在低压加热器(7)的进口母管上，油水换热器(8)的冷端出口通过第二阀门(B)连接在低压加热器(7)的出口母管上；高压加热器(13)、除氧器(11)、低压加热器(7)由抽汽作为热源，具体连接关系为：汽轮机高压缸(3)的级间抽汽作为高压加热器(13)的热源，汽轮机高压缸(3)排汽的抽汽作为除氧器(11)的热源，汽轮机低压缸(4)的级间抽汽通过第四阀门(D)后作为低压加热器(7)的热源。

2.根据权利要求1所述的一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统，其特征在于：用导热油来加热凝结水，从而减少低压加热器(7)的抽汽，这部分抽汽返回汽轮机低压缸(4)做功，提高系统的调频能力。

3.根据权利要求4所述的一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统，其特征在于：通过电力开关(14)将超过电网需求的多余电力导入储热罐(10)中，转化为导热油的热能，提高系统的调峰能力。

4.根据权利要求1所述的一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统，其特征在于：保持核反应堆(1)的功率不变。

5.根据权利要求1所述的一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统，其特征在于：所述储热罐(10)分为两部分，一部分只用于储存低温导热油，另一部分含有电加热器，电加热器通过电力开关(14)连接发电机(5)，且进出口分别设有第三阀门(C)和油泵(9)。

6.权利要求1至5任一项所述的一种通过低压抽汽节流调频的核-储发电系统的工作方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)，承担基荷：

系统处于承担基荷的运行模式，第二阀门(B)全开，第一阀门(A)和第三阀门(C)全关，此时储能子系统不工作，核能子系统保持压水堆核电机组的100％THA工况运行；高压加热器(13)出口的过冷水进入蒸汽发生器(2)中吸热，变为饱和蒸汽时从蒸汽发生器(2)出口流出并依次进入汽轮机高压缸(3)、汽轮机低压缸(4)做功，做完功的乏汽从汽轮机出口排出，进入凝汽器(6)中凝结为过冷水，随即依次流经低压加热器(7)、除氧器(11)、给水泵(12)后到达高压加热器(13)进口，完成蒸汽朗肯循环；

步骤(2)，参与调峰：

当电网要求汽轮机组降负荷时，保持第二阀门(B)全开，第一阀门(A)和第三阀门(C)全关，核能子系统将超过电网需求的电力通过储热罐(10)中的电加热器转化为储热子系统中导热油的热能储存起来以降低上网电量；蒸汽朗肯循环与步骤(1)中相同；

步骤(3)，参与调频：

核能子系统的发电量全部上网，根据调频要求，调整第一阀门(A)、第二阀门(B)、第三阀门(C)和第四阀门(D)的开度，此时从凝汽器(6)来的凝结水一部分通过第一阀门(A)和油水换热器(8)后进入到下一级，另一部分通过第二阀门(B)和低压加热器(7)后进入下一级；储能子系统将导热油的热能通过油水换热器(8)返还给核能子系统，转化为凝结水的热能，从而减少低压加热器(7)的抽汽量，使这部分抽汽返回汽轮机低压缸(4)中做功，增加系统的调频能力。

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