海上小型堆除氧汽源调节变化对汽发机组出力的影响

张臣刚

摘   要：为了更好地展现热力分析结果，并更清楚、更通用地论述海上小型堆除氧器汽源调节变化对其汽轮发电机组出力的影响，本文所述的海上堆输入参数和系统配置采用了基于实际堆型的通用假设，该海上堆采用新蒸汽和高压缸排汽混合后用于除氧器加热，不同的混合比例对汽发机组出力有着明显的影响，本文通过热力分析计算，得到了不同混合比情况下的机组出力数值，由计算结果可见，尽可能多地采用高压缸排汽能够大幅度提升机组出力，经济性相当可观，因为小型堆汽轮机的特点决定了其在运行中高压缸排汽受到负荷变化影响更容易波动，建议根据负荷特点，在负荷基本稳定的情况下，优选高压缸排汽作为除氧汽源，在负荷超过一定波动幅度的情况下，才部分或全部切换到新蒸汽。

关键词：海上小型堆  出力  汽轮发电机组  除氧器供汽  热力分析

中图分类号：TE0                                    文献标识码：A                       文章编号：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，国内在研先进小型核反应堆完全可以达到三代要求，其安全性得到了大幅提高，并具备灵活性高，适应性强、用途广等诸多优势[1]，在未来具有较为广阔的发展空间[2-3]，许多西方及亚洲核电国家甚至把加快先进小型反应堆研发上升到了国家战略。进入21世纪以来，国际原子能机构（IAEA）大力推动小型反应堆技术的研究和开发，鼓励发展和利用安全、可靠、经济上可行与核不扩散的中小型反应堆。而海上小堆技术的应用则是解决远海能源供给的重要途径，更加有助于提升一个国家的海上资源开发能力，小型核反应堆“即插即用”的优势[4]令其更受关注，应用前景十分广阔，海上核电站时代已经来临。在国外，俄罗斯已建成投产世界第一艘海上浮动核电站，并计划还将建设一批浮动式核电站，为大型工业项目、港口城市、海上油气钻探平台提供能源。在国内，我国海域辽阔，西沙群岛、南沙群岛等远离大陆数百甚至上千公里，海上核电站将在我国海洋开发与建设中发挥重要作用，中国拟计划未来几年在南海各岛礁建造20座海上核动力浮动平台，海洋核动力平台的建造将支撑起我国对南海地区的实际控制、开发能力，完善南海地区的电力和能源系统，从而拉动南海地区的商业开发和我国相关产业的快速发展。

海上小型堆为更好地适应海洋工作环境条件，适当牺牲了二回路效率，以简化系统设计、减轻重量、提高船平台空间使用效率，并有利于提高其机动性和灵活性，故其设计要求与陆上大型核反应堆有着很大的区别，最突出的特点就是抽汽加热系统极度简化，以国内百万千瓦级陆上压水堆CPR1000为例，CPR1000的二回路有7级加热，其中包括4级低压加热，1级除氧加热和2级高压加热，而本文所述某海上小型堆的二回路只有除氧加热这一级，排除用高低压缸级内抽汽的方式，除氧器汽源还可以直接采用新蒸汽，也可以用高压缸排汽，或者是两者的混合汽，为更好地进行潜在技术方案技经比较和优选，有必要知道不同混合比情况下对汽发机组发电能力的影响如何。

本文采用的输入参数和系统配置均是在实际堆型基础上进行了合理可行的假设，旨在更好地展现热力分析结果，并更清楚、更通用地论述热力分析方法。

1  基本条件

1.1 热力系统

该海上小型堆热力系统见图1，汽轮发电机组新蒸汽参数为3.7MPa、288℃，为微过热蒸汽，进汽流量达到130t/h以上，凝汽器喉部压力7kPa，蒸发器给水温度为145℃，汽轮机采用高压缸和低压缸设计，分缸压力为4.4Bar.a，高低压缸之间联通管采用了除湿再热措施，除湿效率为99%，再热器利用新蒸汽对再热蒸汽加热，加热端差5℃，蒸汽在汽轮机内部膨胀做功后排放到凝汽器，排汽湿度满足低压缸末级排汽湿度的设计要求，凝结水参数0.3MPa、28℃;除氧器采用热力混合式除氧，蒸发器给水参数4.4MPa、145℃。

1.2 主要设备热力参数

（1）高压缸。

计算条件：高压缸进汽阀门压损5%;忽略管道压损;高压缸效率78%。

新蒸汽压力为3.7MPa，温度288℃，得到焓2938.19kJ/kg，根据进汽阀门压损5%可以计算出阀后压力为3.515MPa，节流调节蒸汽的焓不变，这样得到阀门后蒸汽的熵为6.3752kJ/（kg·K）。

高压缸排汽压力0.44MPa，等熵理论膨胀后蒸汽焓为2537.20kJ/kg，高压缸理论等熵焓降为400.99kJ/kg，高压缸效率为78%，可得到实际焓降为312.77kJ/kg，从而得到高压缸出口实际焓2625.42kJ/kg，高压缸排汽压力为0.44MPa，则得到其温度为147.09℃，干度为0.9451;除湿效率按照99%考虑，则除湿后的蒸汽干度为0.9995。

（2）低压缸。

计算条件：低压缸效率85%。

输送到再热器处的新蒸汽的饱和温度为245.75℃，根据5℃的加热端差，这样进入低压缸的再热蒸汽温度为240.75℃，压力为0.44MP，则焓为2943.93kJ/kg，熵为7.2970kJ/（kg·K），低压缸排汽压力为0.007MPa，则理论等熵膨胀后的理论焓为2266.78kJ/kg，理论焓降为677.15kJ/kg，低压缸的效率为85%，实际焓降为575.58kJ/kg，低压缸排汽实际焓值为2368.35 kJ/kg，排汽温度为39.02℃，干度0.9152，满足设计要求。

（3）汽水分离再热器MSR。

计算条件：忽略压损。

我们将MSR分成两部分计算，一部分是汽水分离器，除湿器后蒸汽蒸汽压力0.44MPa，干度为0.9995，焓为2740.82kJ/kg，分离器疏水的参数为压力为0.44MPa的饱和水，则焓为619.60kJ/kg。另一部分是再热器，再热器将再热蒸汽加热到240.75℃，经过再热后蒸汽温度为240.75℃，压力为0.44MP，则焓为2943.93kJ/kg，再热器壳侧疏水参数为240.75℃的饱和水，则焓为1041.18 kJ/kg，再热器用新蒸汽焓为2938.19kJ/kg。

（4）除氧器。

再热器壳侧疏水排放到除氧器，上文提到，其焓为1041.18kJ/kg，分离器疏水焓为619.60kJ/kg，用于除氧器加热的高压缸排汽焓值为2625.42kJ/kg，用于除氧器加热的新蒸汽焓2938.19kJ/kg，凝结水泵出口，凝结水28℃、0.3MPa，其焓为117.58kJ/kg，给水4.4MPa、145℃，则给水焓为613.13kJ/kg。

2  热力计算

2.1 通用方程

假设汽水分离器疏水量为Q1，再热器疏水量为Q2，用于除氧器供热的新蒸汽流量和高压缸排汽流量分别为Q31和Q32，二者合计流量为Q3。

采用新蒸汽和高压缸排汽混合后供汽的方式，在满足热力平衡的前提下，改变各自供汽调节阀的开度，可以改变新蒸汽占总供汽的质量百分比（即供汽比）。为此，我们分别将不同的供汽比X（100%、75%、50%、25%、0）代入，得到各供汽比情况下的三个方程，联解方程就可以得到三个未知流量值，计算结果汇总如表1。

3  发电能力计算

3.1 发电能力通用计算式

发电能力等于高低压缸发电能力之和，根据实际焓降和流量，就可以计算出高、低压缸出力分别为312.77×（130-Q2-Q3×X）/3.6和575.58×（130-Q3-Q1-Q2）/3.6。

3.2 计算结果

代入流量和供汽比，得到计算结果如表2所示。

4  结语

从以上结果我们可以看到，更多地用更低参数的高压缸排汽用于除氧有利于提高机组出力，这是因为高压缸做功汽流的流量越大，越能够提高做功能力，随着供汽比的不断降低，做功能力提高幅度最高达到5.37%，能够在基本不改变系统设计和基本不增加重量空间需求的情况下，大幅度地提高汽轮机出力，经济性是相当可观的。

小型堆汽轮机的特点决定了其在运行中受到负荷变化影响更容易波动，采用高压缸排汽作为除氧器汽源，在负荷波动的情况下，高压缸排汽容易同步出现波动，这样在机组协调控制中不利于波动的收敛，为此，建议根据负荷特点，在负荷基本稳定的情况下，可以优选高压缸排汽作为除氧汽源，在负荷超过一定波动幅度的情况下，才部分或全部切换到新蒸汽作为除氧汽源，从而显著提高机组经济性。

参考文献

[1] 程琳.小型核反应堆供电在海洋工程领域的应用前景[J].中国海洋平台，2018，33（6）：1-5.

[2] 周蓝宇，齐实，周涛.小型模块化反应堆发展趋势及前景[J].科技创新与应用，2017（21）：195-196.

[3] 李佳佳，劉峰，赵芳.国外海上浮动核电站的产业发展现状[J].船舶工程，2017，39（4）：7-1.

[4] 刘冲，黄勇.先进小型核反应堆发展前景及其所面临的问题[J].南华大学学报：社会科学版，2018，19（4）：10-14.