多級加熱在某海上熱電聯產方案優化中的應用

張臣剛 吳 偉 梁浩陽 董亞超 劉麗華

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518028）

0 引言

核能應用于海上可以作為化石能源的替代能源，具備熱電聯產的功能，核能的蒸汽透平能產生200℃以上高溫蒸汽，可通過與生產水換熱向采油平臺供給熱能，以供海上石油開采使用，可有效提高海上石油采收率[1]，有利于推動海上石油的高效開發。小型模塊化核反應堆應用于海上熱電聯產，其系統不僅需要適應海洋條件，而且還需要適應完全不同于陸上供暖和工業供汽的供熱應用場景，為此需要進行汽輪機和熱力系統的開發。

與電站汽輪機相比，船用汽輪機通常有較大的變工況范圍，所以設計時不僅要滿足額定的設計條件，還須考慮變工況運行時的經濟性能[2]。船舶行業已經有能夠適應海洋傾斜搖擺條件的成熟汽輪機設計，只不過因為船舶行業對汽輪機的功能需求是用于船舶動力，工作條件較為惡劣，汽輪機和熱力系統需要適應工況變化快、變化幅度大、變化頻繁的特點，加上船舶艙段空間經濟性和艙段質量的限制，所以船舶汽輪機未見采用抽汽設計，熱力系統也未見采用回熱設計，除氧器用汽通常取自新蒸汽。

而小型堆汽輪機和熱力系統用于海上熱電聯產時的對外供能生產運行特點完全不同于船舶動力，而是更接近于陸上供能生產的特點。為更好地提高產能和經濟性，需要保持負荷長期基本穩定運行。另外，從反應堆設計來講，反應堆長期保持高負荷穩定運行也更有利于提高反應堆運行的經濟性，減少三廢排放。還有就是小型堆建在海上平臺對外供能，和船舶相比，海上平臺可布置空間更寬裕，有利于汽輪機采用抽汽設計。

該文對船舶汽輪機應用于海上熱電聯產提出了優化前的方案，將汽輪機上增設抽汽管線，用于凝給水加熱系統和供熱系統的多級加熱，并提出了5個優化后的方案，以方案4為例展示了熱平衡結算過程，通過計算結果對比分析得出結論。該文采用的輸入參數和系統配置都在實際堆型基礎上進行了適當處理，旨在更清楚地論述優化方案，更直觀地展示產能計算結果，并更通用地論述優化方法。

1 優化前方案

1.1 優化前輸入參數

二回路主要的輸入參數如下：反應堆輸出新蒸汽溫度290.36℃、壓力4 MPa的微過熱蒸汽，主給水溫度145℃，反應堆輸出熱功率250 MW，凝汽器壓力8 kPa，汽輪機級段效率0.7。注射通路主要的輸入參數如下：原水25℃，加壓壓力18 MPa，輸出熱水248.36℃。

1.2 優化前方案流程圖

方案0是優化前方案，如圖1所示。新蒸汽從反應堆出來，該方案采用單缸單排汽純發電汽輪機，沒有抽汽，除氧器的汽源采用新蒸汽減壓而來，凝結水從凝汽器出來后直接通過凝結水泵送到除氧器，不設低壓加熱器。新蒸汽還作為末級供熱加熱器的汽源，供熱加熱器只設有一級，新蒸汽經過供熱加熱器放熱后變成凝結水回到除氧器出口與除氧器出水匯合后，經給水泵送回反應堆。供熱介質經過供熱加壓泵加壓，并經末級供熱加熱器加熱后輸出。

圖1 方案0流程圖

2 優化后方案

方案1如圖2所示。采用單缸單排汽一級抽汽汽輪機，考慮將凝汽器作為供熱加熱的第一級，用汽輪機的抽汽同時供二級供熱加熱器和除氧器，用新蒸汽供末級供熱加熱器，疏水逐級自流直到最后一級排放到凝汽器（其他方案同樣如此，后文略）。供熱介質經過供熱加壓泵加壓，并分別流經凝汽器、二級供熱加熱器和末級供熱加熱器加熱后輸出（其他方案同樣類似，后文略）。

圖2 方案1圖

方案2如圖3所示。同樣采用單缸單排汽一級抽汽汽輪機，將凝汽器作為供熱加熱的第一級，用汽輪機的抽汽同時供二級供熱加熱器和一級低壓加熱器，用新蒸汽供除氧器和末級供熱加熱器。

圖3 方案2圖

方案3如圖4所示。采用單缸單排汽兩級抽汽汽輪機，將凝汽器作為供熱加熱的第一級，用汽輪機的一級抽汽同時供二級供熱加熱器和一級低壓加熱器，用汽輪機的二級抽汽同時供三級供熱加熱器和除氧器，用新蒸汽供末級供熱加熱器。

圖4 方案3圖

方案4如圖5所示。采用單缸單排汽三級抽汽汽輪機，將凝汽器作為供熱加熱的第一級，用汽輪機的一級抽汽同時供二級供熱加熱器和一級低壓加熱器，用汽輪機的二級抽汽同時供三級供熱加熱器和二級低壓加熱器，用汽輪機的三級抽汽同時供四級供熱加熱器和除氧器，用新蒸汽供末級供熱加熱器。

圖5 方案4圖

方案5如圖6所示。采用單缸單排汽三級抽汽汽輪機，將凝汽器作為供熱加熱的第一級，用汽輪機的一級抽汽同時供二級供熱加熱器和一級低壓加熱器，用汽輪機的二級抽汽同時供供三級熱加熱器和除氧器，用汽輪機的三級抽汽供四級供熱加熱器，用新蒸汽供末級供熱加熱器。

圖6 方案5圖

3 熱平衡計算及方案比較

3.1 熱平衡計算

為適當簡化計算，熱平衡計算中做了如下主要假設條件和輸入：忽略所有管道、閥門和供熱通路換熱器壓損；忽略汽輪機機械能轉換成電能的損失；忽略管殼式換熱器傳熱損失；忽略汽輪機末級余速損失；所有方案汽輪機的級段效率不變，均為0.7；換熱器傳熱端差按照經驗估算；疏水考慮經疏水冷卻器冷卻后以比加熱器管側進口溫度高5℃的溫度排放到下一級。

熱平衡計算采用聯立熱平衡方程的方法進行，即首先擬定原則性熱力系統圖，根據設計經驗和接口參數確定各設備進、出口和各管段的已知熱力參數，確定合理可行的抽汽壓力。根據汽輪機的級段效率確定汽輪機蒸汽做功的熱力過程線，求解出汽輪機各級段的實際比焓降和抽汽的比焓。然后假設各用汽設備的蒸汽流量和供熱熱水流量為求解未知量，分別對除氧器、低壓加熱器和供熱加熱器建立熱平衡方程。發電功率等于汽輪機各級段做功功率（比焓降乘以流量）之和。這樣，如果知道汽輪機做功功率，就能夠得到一個流量相關的方程。聯立求解上述所有方程，即可完成熱平衡計算并得到產能結果。

該文以方案4為例說明熱平衡計算過程，其他方案的計算依此類推，計算用管段標注如圖7所示。

圖7中各管段所取參數見表1。

圖7 方案4計算用管段標注

表1 管段計算參數

流量之間的關系方程如公式（1）所示。

對除氧器建立方程，如公式（2）所示。

對二級低壓加熱器建立方程，如公式（3）所示。

對一級低壓加熱器建立方程，如公式（4）所示。

對末級供熱加熱器建立方程，如公式（5）所示。

對四級供熱加熱器建立方程，如公式（6）所示。

對三級供熱加熱器建立方程，如公式（7）所示。

對二級供熱加熱器建立方程，如公式（8）所示。

根據發電功率建立方程，如公式（9）所示。

聯立上述9個方程即可解得各未知流量，進而完成熱平衡計算。

3.2 方案比較

產能計算結果匯總見表2。

表2 各方案供熱產能結果匯總

方案比較：1）從方案1～5與方案0的比較，可見汽輪機采用抽汽設計用于多級加熱，能夠顯著提高產能。2）從方案1與方案0的比較，方案3、方案5與方案2的比較，可見在同樣的凝給水加熱級數的情況下，增加供熱加熱級數能顯著提高供熱產能。3）從方案2與方案1的比較，方案4與方案5的比較，可見在同樣供熱加熱級數的情況下，增加凝給水加熱級數能顯著提高供熱產能。

4 結語

海上熱電聯產汽輪機的工作條件不同于船用汽輪機，針對性地開發具備抽汽用于多級加熱的專用汽輪機，并設計與之配套的熱力系統和供熱系統，能夠大幅度提高產能和經濟性。

雖然總的來講供熱加熱級數和凝給水加熱級數越多越有利于提高產能，但每級供熱加熱的溫升決定了加熱級數，除了經凝汽器的加熱溫升外，其他每級經驗溫升一般不宜低于30℃，這樣供熱加熱的理論最高加熱級數為8級左右。同樣，受到給水溫度和每級加熱溫升的限制，凝給水最高加熱級數為3級左右。

海上汽輪機一般容量較小，汽缸抽汽開口太多將增加設計和布置的難度，應結合實際確定合理抽汽級數和多級加熱級數。