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钢铁、石油、化工等行业对蒸汽需求量大,这些企业是国家基础设施建设和发展的重要支持性企业。为支持实现国家“碳达峰、碳中和”的战略目标,“十四五”是中国实现“碳达峰、碳中和”的关键时期,探索这些重点高排放企业的减排方案是目前迫切的行动项次。
核能技术在中国已得到广泛成熟地发展,是一种公认的安全可靠的零碳排放清洁能源,国内多家企业已开展了“碳中和”目标性核能的发展策略研究[1-3],研究核能作为绿色能源更广泛的服务于社会能源需求的可能性;俄罗斯已在核能供热技术方面开展了深入的研究[4];我国也开展了相关的研究,探讨核能集中供热的技术可行性[5-10];国电投集团以AP1000核电机组为例,深入地研究了核电汽轮机抽汽供民用采暖供热方案的可行性[11-13];以上的这些研究重点在于利用核能为周边居民提供采暖用热水,我国目前还没有核能供工业蒸汽技术方面的研究成果。
压水堆一回路是含放射性物质的高压水,考虑到运行人员及周围环境的安全性,不能直接利用压水堆一回路的热量;压水堆二回路中从蒸汽发生器中出来的主蒸汽参数为5.3 MPa,267.6 ℃[3],如直接用二回路低压缸排汽作为工业供汽,将导致二回路介质流失或因流经过长的管道回收的水质不满足电厂要求。本文借鉴压水堆核电站厂内用蒸汽转换技术方案[14],考虑增加一个专门的工业用汽回路,用核电厂的二回路蒸汽作为热源,产生工业用汽回路的蒸汽作为工业供汽。
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为论证上一章节布置的蒸汽转换系统的可行性,需要依据能量守恒原理计算加热蒸汽消耗量以及各个设备的热力参数,确保各设备的热力参数符合热力学第二定律。
对于本文论证的蒸汽转换系统,已知的条件是加热蒸汽温度和压力,工业用汽压力、温度和流量,工业供水为常温常压自来水。
为计算蒸汽转换系统的蒸汽消耗量,需要先假设加热蒸汽侧的最终疏水温度。疏水温度越高,越有利于各换热器的换热,但将消耗更多的蒸汽,不利于蒸汽转换系统的热效率。疏水温度越低,虽然有利于提高蒸汽转换系统的热效率,但换热设备的端差过小,将增加换热设备的成本。参考相关文献[15],水-水换热器的最小端差为5 ℃,汽-汽换热器的最小端差为15 ℃。
加热蒸汽消耗量由以下热平衡公式(1)计算:
$$ {w}_{\mathrm{h}}={w}_{\mathrm{c}}({h}_{\mathrm{c}\mathrm{o}}-{h}_{\mathrm{c}\mathrm{i}})/\eta ({h}_{\mathrm{h}\mathrm{i}}-{h}_{\mathrm{h}\mathrm{o}}) $$ (1) 式中:
$ {h}_{\mathrm{c}\mathrm{o}} $ ——冷侧流体出口焓值(kJ/kg);$ {h}_{\mathrm{c}\mathrm{i}} $ ——冷侧流体进口焓值(kJ/kg);$ {h}_{{\rm{hi}}} $ ——热侧流体入口焓值(kJ/kg);${h}_{\rm{ho}}$ ——热侧流体出口焓值(kJ/kg);$ {w}_{\mathrm{c}} $ ——冷侧流体流量(kg/s);$ {w}_{\mathrm{h}} $ ——热侧流体流量(kg/s);$ \eta $ ——蒸汽转换系统热效率,即工业用蒸汽回路吸热与加热蒸汽放热之比。 -
对于各换热设备的热力参数,根据运行经验及各设备的工作机理,可确定如下参数:为避免工业管道的汽蚀,推荐除氧器进口工业供水过冷度为20 ℃[16];蒸发器入口水过冷度为5 ℃;二级蒸发器的加热蒸汽出口为饱和水。
对于一级预热器,已知工业供水压力、出水过冷度、进水温度、工业供水流量以及热侧疏水出口温度,根据已知的水的温度和压力可查水的物性参数表获得工业供水侧进出口及疏水出口比焓,由此可根据能量守恒公式(2),计算出热侧疏水入口焓值,由焓值和压力即可查水物性表获得温度参数。
$$ {h}_{\mathrm{h}\mathrm{i}}=\frac{{w}_{\mathrm{c}}\left({h}_{\mathrm{c}\mathrm{o}}-{h}_{\mathrm{c}\mathrm{i}}\right)}{\eta {w}_{\mathrm{h}}}+{h}_{\mathrm{h}\mathrm{o}} $$ (2) 式中各变量含义与公式(1)相同。
对于二级预热器,已知冷侧流体压力、进口焓值、出口水过冷度、流体流量以及热侧疏水出口焓值,同样根据能量守恒公式可计算二级预热器热侧疏水入口焓值,由焓值和压力即可查水物性表获得疏水入口温度参数。
对于过热器,已知冷侧流体压力、进口焓值、出口蒸汽温度、流体流量以及热侧加热蒸汽进口温度、压力,出口焓值,根据能量守恒公式(3)可计算过热器热侧流体出口焓值,由焓值和压力即可查水物性表获得热侧流体出口温度。
$$ {h}_{\mathrm{h}\mathrm{o}}={h}_{\mathrm{h}\mathrm{i}}-\frac{{\mathrm{w}}_{\mathrm{c}}\left({h}_{\mathrm{c}\mathrm{o}}-{h}_{\mathrm{c}\mathrm{i}}\right)}{\eta {w}_{\mathrm{h}}} $$ (3)
Feasibility Research in the Technology for Industrial Steam Supply by PWR Nuclear Power Plant
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摘要:
目的 为研究压水堆核电站为周边工业区提供工业用蒸汽的技术可行性。 方法 以某1 000 MW压水堆核电厂主蒸汽为热源,为周边提供工业蒸汽需求量300 t/h,蒸汽压力为1.8 MPa,蒸汽温度为250 ℃为例,论证了利用压水堆核电站二回路蒸汽加热工业用水产生满足工业需求的蒸汽转换系统的技术可行性。从热力学第一定律和第二定律理论出发,设计了该系统的工艺流程,计算了系统中关键换热设备的热力参数。 结果 得出热源疏水温度的合理值为65 ℃,如疏水温度低于60 ℃,在二级预热器中将出现热源温度低于工业水温度的情况,将违背热力学第二定律。 结论 研究成果可为压水堆核电站工业供汽提供技术参考。 Abstract:Introduction The paper aims to research the technology feasibility of steam conversion system for industrial steam supply by pressurized water reactor (PWR) nuclear power. Method we took a 1 000 MW (PWR) nuclear power plant as an example, supplying industrial steam 300 t/h, 1.8 MPa and 250 ℃. This paper demonstrated the technical feasibility of a steam conversion system which could meet the industrial steam needs by using steam in the secondary loop of PWR nuclear power plant to heat industrial water, based on the first law and the second law of thermodynamics. This paper designed the process flow of the system, calculated the thermodynamic parameters of the key heat exchangers in the system. Result The reasonable value of the heat source drainage temperature was analyzed. Our data suggest heat source drainage temperature is 65 ℃ for the industrial steam supply of PWR nuclear power plants. The temperature of heat source would be lower than the industrial water if the drainage temperature was lower than 60 ℃ , which would violate the second law of thermodynamics. Conclusion The research results can provide technical reference for industrial steam supply of PWR nuclear power plant. -
表 1 加热蒸汽耗汽量与疏水温度的关系表
Tab. 1. The relationship between required heat steam and drain temperature
疏水温度/℃ 加热蒸汽耗汽量/(t·h−1) 65 340.0 70 342.8 80 348.5 -
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