小堆核能制汽技術

劉明 汪廬山 謝志勤

摘?要：隨著油田節能降耗的要求日益緊迫，采用小堆核能新能源技術制備滿足油田生產工藝要求的濕蒸汽可以顯著降低稠油熱采成本并降低污染物的排放，進而實現稠油熱采領域的新舊動能轉換。結合稠油熱采的蒸汽參數需求對小堆制汽技術特點、制汽工藝參數和工藝經濟性進行了研究。

關鍵詞：稠油熱采;小堆核能;制汽

隨著油田稠油傳統熱采技術和油田形式的發展，碳基化石燃料使得傳統稠油熱采技術能耗高、污染排放壓力大。隨著油田節能降耗的要求日益緊迫，需要采用成熟的小堆核能新能源技術顯著降低稠油熱采成本并降低污染物的排放，進而實現稠油熱采領域的新舊動能轉換[1-2]。需要開展符合熱采工藝參數的小堆核能熱交換系統技術可行性研究[3]。小型堆核能制蒸汽面臨的主要問題有：小堆制熱方式、現場安全問題、熱采工藝流程配套、熱采工藝參數匹配、經濟可行性和使用壽命匹配性等。

1 稠油熱采的蒸汽參數需求

油田用汽分高端用汽（注入油井溫度300°C以上，壓力20MPa左右）和低端用汽（參數與常規壓水堆參數相當）。稠油熱采利用過熱蒸汽最好，如果不行飽和蒸汽也可以接受;溫度：360°C，至少300°C以上;壓力：20Mpa最好，14-18Mpa范圍也能接受;質量流量：按照每口井10t/h計算，最少要求能同時注3口井，能做到100-200t/h的流量更好;油井的注汽周期6個月，每次注入時間為10-15天，悶井時間3天;油井的壽命為30年。蒸汽先經過地面管道，再到井下管道，這兩段管道的材質不同，而且東西部油田的管道材質也不一樣。井下管道：東部N80油田用油管;西部16Mn。東部的勝利油田和西部的克拉瑪依油田都有稠油熱采的蒸汽需求，東部又分陸地和海上兩種場景，西部的人口稀少油井多密度大，所以西部的需求更大。

2 小堆制汽技術特點

我國經過幾十年的發展建設，已經建立起了完整的核工業體系，為我國自主研發、設計、建設、運行小型堆核能系統奠定了技術基礎。隨著我國核動力裝置運行經驗的積累以及裝備制造工藝水平的不斷提高，已經具備了一體化小型壓水堆實際應用和工程設計的能力，如清華大學提出的低溫供熱堆、中核集團提出了CAP100等都是比較典型的一體化小型輕水堆設計。目前我國在研究的小型堆無論從技術水平、核安全、換料周期、經濟性來看都屬于世界先進的技術。小型堆可以滿足多種用途的需要，可以通過設計、建造和運行策略來降低投資和運行成本，特別其在熱電聯供、非發電領域的應用可能會更有前景和競爭力。

小型反應堆由于采用一體化、非能動安全和埋地等安全設計，相對于大型核反應堆，小型堆核能系統具有廠址要求低、應用靈活、核安全風險低、操控簡單、建造周期短、一次性投資小等優點[3]。小型堆核能系統的固有安全性超過現在大型堆。以目前廣泛采用的一體化小型壓水堆為例，其在安全性方面具有以下技術特點：

a.取消了主冷卻系統內大尺寸管道，從根本上消除威脅反應堆安全的大破口失水事故，這是提高核反應堆固有安全性的主要因素。

b.將反應堆堆芯放置在壓力容器內的底部偏上，壓力容器中下部不開孔，確保在系統破口失水時壓力容器內的堆芯處于被淹沒狀態。

c.在主冷卻劑系統設計中采用自然循環原理，堆芯衰變熱的排出既可以采用能動余熱排出，還可采用非能動余熱排出，同時也允許反應堆采用自然循環功率運行模式，提高運行的安全性。

d.降低中子注量率，降低運行期間裂變中子和射線對壓力容器材料的輻照脆化效應，提高壓力容器的使用壽命。

e.采用改進的耐高溫燃料和結構材料，增加反應堆安全裕量，使堆芯在無保護的瞬態超負荷過程中不受損壞。

f.簡化系統設計，減少不必要的閥門和管道，以提高安全性，減小投資和運行成本。

g.采用先進的自動化控制系統，自動化控制技術覆蓋整個運行過程。

3 小堆核能制汽工藝參數

（1）高溫氣冷堆，可提供過熱蒸汽。蒸汽參數為給水15MPa/206℃，出口蒸汽14MPa/570℃。

（2）低溫供熱堆（3個回路），可提供飽和蒸汽。蒸汽發生器給水65℃，出口蒸汽1.15MPa/184℃。

（3）小型快堆，可提供過熱蒸汽。蒸發器出口蒸汽14MPa/480℃，與CFR600的參數相當。

（4）小型壓水堆，可提供飽和蒸汽。一回路平均溫度303℃（出口溫度323℃）/15.0MPa。蒸汽發生器出口蒸汽290℃/4MPa。

另外，目前國內在運最多的M310核電機組，如嶺澳、方家山、紅沿河、福清1～4、田灣5～6等），以及在M310基礎上改進而來的華龍1號，其產生的蒸汽均為飽和蒸汽，出口蒸汽為6.8MPa/283℃。若合理進行有針對性的設計也可滿足稠油熱采的需求。

針對稠油熱采的蒸汽參數要求，目前國內外成熟動力堆型均可提供滿足要求的蒸汽品質。但基于稠油熱采的蒸汽用量，經分析認為采用小型核動力堆較合適。

4 結論

綜上所述，隨著油田稠油傳統熱采技術和油田形式的發展，碳基化石燃料使得傳統稠油熱采技術能耗高、污染排放壓力大。核能制汽綜合成本約為傳統注汽成本的一半，隨著油田節能降耗的要求日益緊迫，需要采用成熟的小堆核能新能源技術顯著降低稠油熱采成本并降低污染物的排放，進而實現稠油熱采領域的新舊動能轉換。

參考文獻：

[1]陳月明.注蒸汽熱力采油[M].東營：石油大學出版社，1996.

[2]劉慧卿，范玉平，趙東偉，等.熱力采油技術原理與方法[M].東營：石油大學出版社，2000.

[3]陳文軍，姜勝耀.中國發展小型堆核能系統的可行性研究.核動力工程，2013（34）：153-155.

作者簡介：劉明（1976-），男，漢族，河南商丘人，中國石油大學（華東）油氣儲運專業碩研，西安交通大學能動學院在職博士，高級工程師，主要從事稠油熱采工藝技術研究及應用工作;汪廬山（1962-），男，博士，教授級高工，中石化勝利油田中石化高級專家;謝志勤（1966-），男，碩士，教授級高工。