基于Aspen Plus對蒸汽轉換系統進行分析研究

李慶云，范飛，葉海，潘生杰，夏涵月，吳傳昌

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314）

近些年，核燃料后處理的研究得到國內外廣泛的關注[1-6]。在核燃料后處理過程中會消耗大量低壓蒸汽，采用蒸汽轉換系統制備系統用氣[7-9]。蒸汽轉換系統分為蒸汽制備系統和凝結水回用系統。蒸汽制備系統包含蒸汽發生器、疏水罐、疏水冷卻器、除氧器等。凝結水回用系統由閃蒸罐、回水冷卻器、換熱機組、鍋爐系統等構成。蒸汽轉換系統的深入研究對核燃料后處理系統的發展具有重要意義。

1 蒸汽轉換系統研究現狀

孫琳[10]等利用蒸汽轉換系統以主蒸汽作為熱源，采用間接換熱的方式制備系統用氣，通過蒸汽分配器為后續設備供應蒸汽。羅海泉[11]采用噴水減溫器以系統凝結水作為冷介質將主蒸汽減溫減壓制備滿足系統需求的蒸汽。噴水減溫器代替了蒸汽轉換系統，減少了設備、儀表、管線等物件的消耗，但升溫后的凝結水溫度高于除氧器進水溫度，須額外補充除氧水降溫，既浪費能量又增加了水源的消耗。曹平[12]等在新建核電站中采用蒸汽轉換系統、汽輪機抽氣和燃油鍋爐相結合的方式為系統提供蒸汽，可以為多種工況提供蒸汽，具有良好的適用性。通過對比分析發現，將輔助蒸汽與工藝蒸汽分開供應雖可以有效避免因設備泄露，但卻增加了設備數量、增大了運行維護強度、提高了生產成本。針對上述問題對工藝流程進行優化，得到如圖1所示的工藝流程圖。

工藝系統采用去離子水作為系統供水，采暖系統的供水為除鹽水。由于兩系統所用水質不同，因此采用間接加熱的方式。工藝用氣經工藝設備后存在被污染的可能，因此在工藝設備出口對蒸汽凝結水進行在線放射性檢測[13]。放射性檢測合格的蒸汽凝結水經除氧器加熱后轉化為工藝用氣在蒸汽轉換系統中循環使用。放射性檢測不合格的蒸汽凝結水送入特殊處理系統，經處理達標后回用。該系統既解決了蒸汽污染造成的危害，還減少了設備使用量，有效降低了投資成本、設備運行和維護成本。

圖1 蒸汽轉換系統流程圖

2 軟件模擬及結果分析

根據相關文獻[14-15]設定鍋爐系統提供的主蒸汽和工藝設備使用的工藝用氣參數如表1所示。

采用Aspen Plus 軟件模擬不同工況下的蒸汽轉換系統，模擬流程如圖2所示。除鹽水經除氧器D-106 加熱除氧后為鍋爐系統供水，用于制備217 ℃的飽和水蒸汽（主蒸汽）。主蒸汽與工藝用水經蒸汽發生器E-101、疏水冷卻器E-102 換熱后冷凝，在閃蒸罐D-102 內閃蒸。閃蒸蒸汽與空氣在換熱器E-103 內換熱，閃蒸后的凝結水經換熱器E-104與空氣換熱冷卻至80 ℃后進入除氧器D-106 中循環使用。工藝側的去離子水經除氧器D-103 加熱除氧后進入疏水冷卻器E-102、蒸汽發生器E-101 換熱制備工藝用氣。工藝用氣經工藝設備后冷凝為90 ℃凝結水，在換熱器E-105 中被空氣冷卻至80 ℃，進入除氧器D-103 中循環使用。

表1 系統蒸汽工藝參數

圖2 蒸汽轉換系統流程模擬圖

以主蒸汽作為熱源制備188 ℃、1.1 MPaG 的工藝用氣，通過改變工藝用氣的流量探究系統的變化規律，計算送風系統內空氣的溫升。分析模擬結果發現，改變工藝用氣的流量，系統內除閃蒸罐D-102的閃蒸溫度發生改變，其他物料的主要工藝參數均未改變。不同流量下參數的變化規律如圖3所示。

圖3 不同流量下參數的變化規律

從圖3 中可以看出，隨著工藝用氣流量的增大，閃蒸罐D-102 的溫度不斷降低，空氣升高溫差也隨之降低。流量在40 000 kg·h-1后變化緩慢，此后適當增加工藝用氣的流量，對系統能量回收影響不大。

工藝用氣的流量設定為40 000 kg·h-1，探究不同溫度的工藝用氣對系統的影響，同時計算送風系統內空氣的升高溫度。對比模擬結果發現，在主蒸汽閃蒸溫度不變的情況下，不同飽和溫度的工藝用氣主要影響除氧器D-103 內工藝凝結水加熱除氧時的耗汽量。在圖4 中，隨著飽和溫度的提高，除氧器D-103 內用于除氧的工藝用氣的用量無明顯變化，空氣升高溫度集中在9 ℃左右。在滿足工藝需求的情況下，工藝用氣的溫度和壓力可采用圖4 的中間點188 ℃、1.1 MPaG。根據質量守恒、能量守恒、能量高效利用等原則，經過對比研究，主蒸汽（217 ℃，2.1 MPaG，40 000 kg·h-1）與去離子水換熱制備工藝用氣時，工藝參數優先選擇溫度188 ℃、壓力1.1 MPaG、流量40 000 kg·h-1。

圖4 不同飽和溫度下參數的變化規律

3 經濟效益分析

從電耗、標煤節耗、煙氣減排量分析最適工況（188 ℃、1.1 MPaG、40 000 kg·h-1）的經濟效益。

3.1 電耗

蒸汽轉換系統中E-103、E-104、E-105 3 臺換熱器每小時可將1.11×107kJ 的熱量傳遞給空氣，為送風系統提供暖風。6—9月溫度較高，系統熱量被溴化鋰吸收式制冷機組利用，用于冷卻空氣。此時電量的節耗影響因素較多，采用理論計算與實際偏差較大，因此暫不計算經濟效益。其余月份因暖風的引用，可節約電量1.8×107kW·h，按1 kW·h單價0.39 元計算，每年可節省702 萬元。

3.2 標煤的節耗量

1 kg 標準煤有29 308 kJ 的熱量，蒸汽轉換系統每小時產生的熱量可折合為379 kg 的標準煤，每年可節省標準煤3 320 t。按500 元·t-1的價格計算，每年可節省166 萬元。

3.3 煙氣減排量

按燃燒1 kg 標準煤釋放2.6 kg CO2、0.024 kg SO2、0.007 kg 氮氧化物及0.002 kg 煙塵計算[16]，蒸汽轉換系統每年可以減少排放8 632 t CO2、79.7 t SO2、23.2 t 氮氧化物及6.6 t 煙塵，有利于環境的保護。

4 結論

1）對蒸汽轉換系統對比研究發現，采用主蒸汽與工藝用水直接換熱、循環使用的方式為系統提供工藝用氣和能量，有效降低了設備投資和后期運行成本。在工藝設備出口處對凝結水進行在線放射性檢測，實現了從源頭上杜絕輻射污染的目的。

2）采用Aspen Plus 軟件對不同工況進行模擬，可獲得不同工況下的工藝參數，減少了系統的試驗次數，確定了最適工藝參數的范圍，有效縮短了開工時間，對實際生產應用具有重要意義。

3）通過對閃蒸罐的閃蒸溫度、除氧器加熱過程中工藝用氣的消耗量以及空氣溫升的分析，確定當主蒸汽（217 ℃、2.1 MPaG、40 000 kg·h-1）與去離子水換熱制備工藝用氣時，在滿足工藝用氣的條件下，最優工藝參數為溫度188 ℃、壓力1.1 MPaG，流量40 000 kg·h-1。

4）送風系統和溴化鋰吸收式制冷機組的增設，可以有效利用系統運行中的多余熱量，實現節電1.8×107kW·h、節省3 320 t 標準煤、減排大量煙氣、創造上百萬的經濟效益，擁有良好的經濟、社會和環境效益，具有廣闊的應用前景。