海上小型堆除氧汽源調節變化對汽發機組出力的影響

張臣剛

摘 ? 要：為了更好地展現熱力分析結果，并更清楚、更通用地論述海上小型堆除氧器汽源調節變化對其汽輪發電機組出力的影響，本文所述的海上堆輸入參數和系統配置采用了基于實際堆型的通用假設，該海上堆采用新蒸汽和高壓缸排汽混合后用于除氧器加熱，不同的混合比例對汽發機組出力有著明顯的影響，本文通過熱力分析計算，得到了不同混合比情況下的機組出力數值，由計算結果可見，盡可能多地采用高壓缸排汽能夠大幅度提升機組出力，經濟性相當可觀，因為小型堆汽輪機的特點決定了其在運行中高壓缸排汽受到負荷變化影響更容易波動，建議根據負荷特點，在負荷基本穩定的情況下，優選高壓缸排汽作為除氧汽源，在負荷超過一定波動幅度的情況下，才部分或全部切換到新蒸汽。

關鍵詞：海上小型堆 ?出力 ?汽輪發電機組 ?除氧器供汽 ?熱力分析

中圖分類號：TE0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（a）-0103-03

Abstract： To better demonstrate the thermal analysis result and to address more clearly and more generally the impact of variation of the deaerator steam supply on the Turbine Generator （TG） capacity， it had been assumed for the input parameters and the system configuration for the ocean-floating Small Module Reactor （SMR） in this article. This SMR uses mixture of the live steam and the HP turbine exhaust steam for deaerator heating. The different mixture percentages have notable impact on the TG unit power output. By thermal analysis in this article， each power output has been achieved for the different mixture percentage. Form the analysis result we can see， the power output of the TG unit can be considerably raised if we use more HP exhaust steam for deaerator heating as possible. So this can be considerably more economical. As it had been determined by the character of the SMR turbine， the HP exhaust steam might be more fluctuated corresponding to the load variation. It has been suggested to prioritize using the HP exhaust steam as deaerator steam supply according to the load character. Only in case that the load variation exceeded certain amplitude， we should partially or completely switch to the live steam.

Key Words： Ocean-floating SMR; Power output; Turbine generator unit; Deaerator steam supply; Thermal analysis

相比二代大型核反應堆，國內在研先進小型核反應堆完全可以達到三代要求，其安全性得到了大幅提高，并具備靈活性高，適應性強、用途廣等諸多優勢[1]，在未來具有較為廣闊的發展空間[2-3]，許多西方及亞洲核電國家甚至把加快先進小型反應堆研發上升到了國家戰略。進入21世紀以來，國際原子能機構（IAEA）大力推動小型反應堆技術的研究和開發，鼓勵發展和利用安全、可靠、經濟上可行與核不擴散的中小型反應堆。而海上小堆技術的應用則是解決遠海能源供給的重要途徑，更加有助于提升一個國家的海上資源開發能力，小型核反應堆“即插即用”的優勢[4]令其更受關注，應用前景十分廣闊，海上核電站時代已經來臨。在國外，俄羅斯已建成投產世界第一艘海上浮動核電站，并計劃還將建設一批浮動式核電站，為大型工業項目、港口城市、海上油氣鉆探平臺提供能源。在國內，我國海域遼闊，西沙群島、南沙群島等遠離大陸數百甚至上千公里，海上核電站將在我國海洋開發與建設中發揮重要作用，中國擬計劃未來幾年在南海各島礁建造20座海上核動力浮動平臺，海洋核動力平臺的建造將支撐起我國對南海地區的實際控制、開發能力，完善南海地區的電力和能源系統，從而拉動南海地區的商業開發和我國相關產業的快速發展。

海上小型堆為更好地適應海洋工作環境條件，適當犧牲了二回路效率，以簡化系統設計、減輕重量、提高船平臺空間使用效率，并有利于提高其機動性和靈活性，故其設計要求與陸上大型核反應堆有著很大的區別，最突出的特點就是抽汽加熱系統極度簡化，以國內百萬千瓦級陸上壓水堆CPR1000為例，CPR1000的二回路有7級加熱，其中包括4級低壓加熱，1級除氧加熱和2級高壓加熱，而本文所述某海上小型堆的二回路只有除氧加熱這一級，排除用高低壓缸級內抽汽的方式，除氧器汽源還可以直接采用新蒸汽，也可以用高壓缸排汽，或者是兩者的混合汽，為更好地進行潛在技術方案技經比較和優選，有必要知道不同混合比情況下對汽發機組發電能力的影響如何。

本文采用的輸入參數和系統配置均是在實際堆型基礎上進行了合理可行的假設，旨在更好地展現熱力分析結果，并更清楚、更通用地論述熱力分析方法。

1 ?基本條件

1.1 熱力系統

該海上小型堆熱力系統見圖1，汽輪發電機組新蒸汽參數為3.7MPa、288℃，為微過熱蒸汽，進汽流量達到130t/h以上，凝汽器喉部壓力7kPa，蒸發器給水溫度為145℃，汽輪機采用高壓缸和低壓缸設計，分缸壓力為4.4Bar.a，高低壓缸之間聯通管采用了除濕再熱措施，除濕效率為99%，再熱器利用新蒸汽對再熱蒸汽加熱，加熱端差5℃，蒸汽在汽輪機內部膨脹做功后排放到凝汽器，排汽濕度滿足低壓缸末級排汽濕度的設計要求，凝結水參數0.3MPa、28℃;除氧器采用熱力混合式除氧，蒸發器給水參數4.4MPa、145℃。

1.2 主要設備熱力參數

（1）高壓缸。

計算條件：高壓缸進汽閥門壓損5%;忽略管道壓損;高壓缸效率78%。

新蒸汽壓力為3.7MPa，溫度288℃，得到焓2938.19kJ/kg，根據進汽閥門壓損5%可以計算出閥后壓力為3.515MPa，節流調節蒸汽的焓不變，這樣得到閥門后蒸汽的熵為6.3752kJ/（kg·K）。

高壓缸排汽壓力0.44MPa，等熵理論膨脹后蒸汽焓為2537.20kJ/kg，高壓缸理論等熵焓降為400.99kJ/kg，高壓缸效率為78%，可得到實際焓降為312.77kJ/kg，從而得到高壓缸出口實際焓2625.42kJ/kg，高壓缸排汽壓力為0.44MPa，則得到其溫度為147.09℃，干度為0.9451;除濕效率按照99%考慮，則除濕后的蒸汽干度為0.9995。

（2）低壓缸。

計算條件：低壓缸效率85%。

輸送到再熱器處的新蒸汽的飽和溫度為245.75℃，根據5℃的加熱端差，這樣進入低壓缸的再熱蒸汽溫度為240.75℃，壓力為0.44MP，則焓為2943.93kJ/kg，熵為7.2970kJ/（kg·K），低壓缸排汽壓力為0.007MPa，則理論等熵膨脹后的理論焓為2266.78kJ/kg，理論焓降為677.15kJ/kg，低壓缸的效率為85%，實際焓降為575.58kJ/kg，低壓缸排汽實際焓值為2368.35 kJ/kg，排汽溫度為39.02℃，干度0.9152，滿足設計要求。

（3）汽水分離再熱器MSR。

計算條件：忽略壓損。

我們將MSR分成兩部分計算，一部分是汽水分離器，除濕器后蒸汽蒸汽壓力0.44MPa，干度為0.9995，焓為2740.82kJ/kg，分離器疏水的參數為壓力為0.44MPa的飽和水，則焓為619.60kJ/kg。另一部分是再熱器，再熱器將再熱蒸汽加熱到240.75℃，經過再熱后蒸汽溫度為240.75℃，壓力為0.44MP，則焓為2943.93kJ/kg，再熱器殼側疏水參數為240.75℃的飽和水，則焓為1041.18 kJ/kg，再熱器用新蒸汽焓為2938.19kJ/kg。

（4）除氧器。

再熱器殼側疏水排放到除氧器，上文提到，其焓為1041.18kJ/kg，分離器疏水焓為619.60kJ/kg，用于除氧器加熱的高壓缸排汽焓值為2625.42kJ/kg，用于除氧器加熱的新蒸汽焓2938.19kJ/kg，凝結水泵出口，凝結水28℃、0.3MPa，其焓為117.58kJ/kg，給水4.4MPa、145℃，則給水焓為613.13kJ/kg。

2 ?熱力計算

2.1 通用方程

假設汽水分離器疏水量為Q1，再熱器疏水量為Q2，用于除氧器供熱的新蒸汽流量和高壓缸排汽流量分別為Q31和Q32，二者合計流量為Q3。

采用新蒸汽和高壓缸排汽混合后供汽的方式，在滿足熱力平衡的前提下，改變各自供汽調節閥的開度，可以改變新蒸汽占總供汽的質量百分比（即供汽比）。為此，我們分別將不同的供汽比X（100%、75%、50%、25%、0）代入，得到各供汽比情況下的三個方程，聯解方程就可以得到三個未知流量值，計算結果匯總如表1。

3 ?發電能力計算

3.1 發電能力通用計算式

發電能力等于高低壓缸發電能力之和，根據實際焓降和流量，就可以計算出高、低壓缸出力分別為312.77×（130-Q2-Q3×X）/3.6和575.58×（130-Q3-Q1-Q2）/3.6。

3.2 計算結果

代入流量和供汽比，得到計算結果如表2所示。

4 ?結語

從以上結果我們可以看到，更多地用更低參數的高壓缸排汽用于除氧有利于提高機組出力，這是因為高壓缸做功汽流的流量越大，越能夠提高做功能力，隨著供汽比的不斷降低，做功能力提高幅度最高達到5.37%，能夠在基本不改變系統設計和基本不增加重量空間需求的情況下，大幅度地提高汽輪機出力，經濟性是相當可觀的。

小型堆汽輪機的特點決定了其在運行中受到負荷變化影響更容易波動，采用高壓缸排汽作為除氧器汽源，在負荷波動的情況下，高壓缸排汽容易同步出現波動，這樣在機組協調控制中不利于波動的收斂，為此，建議根據負荷特點，在負荷基本穩定的情況下，可以優選高壓缸排汽作為除氧汽源，在負荷超過一定波動幅度的情況下，才部分或全部切換到新蒸汽作為除氧汽源，從而顯著提高機組經濟性。

參考文獻

[1] 程琳.小型核反應堆供電在海洋工程領域的應用前景[J].中國海洋平臺，2018，33（6）：1-5.

[2] 周藍宇，齊實，周濤.小型模塊化反應堆發展趨勢及前景[J].科技創新與應用，2017（21）：195-196.

[3] 李佳佳，劉峰，趙芳.國外海上浮動核電站的產業發展現狀[J].船舶工程，2017，39（4）：7-1.

[4] 劉沖，黃勇.先進小型核反應堆發展前景及其所面臨的問題[J].南華大學學報：社會科學版，2018，19（4）：10-14.