小堆核能制汽技术

刘明 汪庐山 谢志勤

摘 要：随着油田节能降耗的要求日益紧迫，采用小堆核能新能源技术制备满足油田生产工艺要求的湿蒸汽可以显著降低稠油热采成本并降低污染物的排放，进而实现稠油热采领域的新旧动能转换。结合稠油热采的蒸汽参数需求对小堆制汽技术特点、制汽工艺参数和工艺经济性进行了研究。

关键词：稠油热采;小堆核能;制汽

随着油田稠油传统热采技术和油田形式的发展，碳基化石燃料使得传统稠油热采技术能耗高、污染排放压力大。随着油田节能降耗的要求日益紧迫，需要采用成熟的小堆核能新能源技术显著降低稠油热采成本并降低污染物的排放，进而实现稠油热采领域的新旧动能转换[1-2]。需要开展符合热采工艺参数的小堆核能热交换系统技术可行性研究[3]。小型堆核能制蒸汽面临的主要问题有：小堆制热方式、现场安全问题、热采工艺流程配套、热采工艺参数匹配、经济可行性和使用寿命匹配性等。

1 稠油热采的蒸汽参数需求

油田用汽分高端用汽（注入油井温度300°C以上，压力20MPa左右）和低端用汽（参数与常规压水堆参数相当）。稠油热采利用过热蒸汽最好，如果不行饱和蒸汽也可以接受;温度：360°C，至少300°C以上;压力：20Mpa最好，14-18Mpa范围也能接受;质量流量：按照每口井10t/h计算，最少要求能同时注3口井，能做到100-200t/h的流量更好;油井的注汽周期6个月，每次注入时间为10-15天，闷井时间3天;油井的寿命为30年。蒸汽先经过地面管道，再到井下管道，这两段管道的材质不同，而且东西部油田的管道材质也不一样。井下管道：东部N80油田用油管;西部16Mn。东部的胜利油田和西部的克拉玛依油田都有稠油热采的蒸汽需求，东部又分陆地和海上两种场景，西部的人口稀少油井多密度大，所以西部的需求更大。

2 小堆制汽技术特点

我国经过几十年的发展建设，已经建立起了完整的核工业体系，为我国自主研发、设计、建设、运行小型堆核能系统奠定了技术基础。随着我国核动力装置运行经验的积累以及装备制造工艺水平的不断提高，已经具备了一体化小型压水堆实际应用和工程设计的能力，如清华大学提出的低温供热堆、中核集团提出了CAP100等都是比较典型的一体化小型轻水堆设计。目前我国在研究的小型堆无论从技术水平、核安全、换料周期、经济性来看都属于世界先进的技术。小型堆可以满足多种用途的需要，可以通过设计、建造和运行策略来降低投资和运行成本，特别其在热电联供、非发电领域的应用可能会更有前景和竞争力。

小型反应堆由于采用一体化、非能动安全和埋地等安全设计，相对于大型核反应堆，小型堆核能系统具有厂址要求低、应用灵活、核安全风险低、操控简单、建造周期短、一次性投资小等优点[3]。小型堆核能系统的固有安全性超过现在大型堆。以目前广泛采用的一体化小型压水堆为例，其在安全性方面具有以下技术特点：

a.取消了主冷却系统内大尺寸管道，从根本上消除威胁反应堆安全的大破口失水事故，这是提高核反应堆固有安全性的主要因素。

b.将反应堆堆芯放置在压力容器内的底部偏上，压力容器中下部不开孔，确保在系统破口失水时压力容器内的堆芯处于被淹没状态。

c.在主冷却剂系统设计中采用自然循环原理，堆芯衰变热的排出既可以采用能动余热排出，还可采用非能动余热排出，同时也允许反应堆采用自然循环功率运行模式，提高运行的安全性。

d.降低中子注量率，降低运行期间裂变中子和射线对压力容器材料的辐照脆化效应，提高压力容器的使用寿命。

e.采用改进的耐高温燃料和结构材料，增加反应堆安全裕量，使堆芯在无保护的瞬态超负荷过程中不受损坏。

f.简化系统设计，减少不必要的阀门和管道，以提高安全性，减小投资和运行成本。

g.采用先进的自动化控制系统，自动化控制技术覆盖整个运行过程。

3 小堆核能制汽工艺参数

（1）高温气冷堆，可提供过热蒸汽。蒸汽参数为给水15MPa/206℃，出口蒸汽14MPa/570℃。

（2）低温供热堆（3个回路），可提供饱和蒸汽。蒸汽发生器给水65℃，出口蒸汽1.15MPa/184℃。

（3）小型快堆，可提供过热蒸汽。蒸发器出口蒸汽14MPa/480℃，与CFR600的参数相当。

（4）小型压水堆，可提供饱和蒸汽。一回路平均温度303℃（出口温度323℃）/15.0MPa。蒸汽发生器出口蒸汽290℃/4MPa。

另外，目前國内在运最多的M310核电机组，如岭澳、方家山、红沿河、福清1～4、田湾5～6等），以及在M310基础上改进而来的华龙1号，其产生的蒸汽均为饱和蒸汽，出口蒸汽为6.8MPa/283℃。若合理进行有针对性的设计也可满足稠油热采的需求。

针对稠油热采的蒸汽参数要求，目前国内外成熟动力堆型均可提供满足要求的蒸汽品质。但基于稠油热采的蒸汽用量，经分析认为采用小型核动力堆较合适。

4 结论

综上所述，随着油田稠油传统热采技术和油田形式的发展，碳基化石燃料使得传统稠油热采技术能耗高、污染排放压力大。核能制汽综合成本约为传统注汽成本的一半，随着油田节能降耗的要求日益紧迫，需要采用成熟的小堆核能新能源技术显著降低稠油热采成本并降低污染物的排放，进而实现稠油热采领域的新旧动能转换。

参考文献：

[1]陈月明.注蒸汽热力采油[M].东营：石油大学出版社，1996.

[2]刘慧卿，范玉平，赵东伟，等.热力采油技术原理与方法[M].东营：石油大学出版社，2000.

[3]陈文军，姜胜耀.中国发展小型堆核能系统的可行性研究.核动力工程，2013（34）：153-155.

作者简介：刘明（1976-），男，汉族，河南商丘人，中国石油大学（华东）油气储运专业硕研，西安交通大学能动学院在职博士，高级工程师，主要从事稠油热采工艺技术研究及应用工作;汪庐山（1962-），男，博士，教授级高工，中石化胜利油田中石化高级专家;谢志勤（1966-），男，硕士，教授级高工。