基于Aspen Plus对蒸汽转换系统进行分析研究

李庆云，范飞，叶海，潘生杰，夏涵月，吴传昌

（兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，甘肃 兰州 730314）

近些年，核燃料后处理的研究得到国内外广泛的关注[1-6]。在核燃料后处理过程中会消耗大量低压蒸汽，采用蒸汽转换系统制备系统用气[7-9]。蒸汽转换系统分为蒸汽制备系统和凝结水回用系统。蒸汽制备系统包含蒸汽发生器、疏水罐、疏水冷却器、除氧器等。凝结水回用系统由闪蒸罐、回水冷却器、换热机组、锅炉系统等构成。蒸汽转换系统的深入研究对核燃料后处理系统的发展具有重要意义。

1 蒸汽转换系统研究现状

孙琳[10]等利用蒸汽转换系统以主蒸汽作为热源，采用间接换热的方式制备系统用气，通过蒸汽分配器为后续设备供应蒸汽。罗海泉[11]采用喷水减温器以系统凝结水作为冷介质将主蒸汽减温减压制备满足系统需求的蒸汽。喷水减温器代替了蒸汽转换系统，减少了设备、仪表、管线等物件的消耗，但升温后的凝结水温度高于除氧器进水温度，须额外补充除氧水降温，既浪费能量又增加了水源的消耗。曹平[12]等在新建核电站中采用蒸汽转换系统、汽轮机抽气和燃油锅炉相结合的方式为系统提供蒸汽，可以为多种工况提供蒸汽，具有良好的适用性。通过对比分析发现，将辅助蒸汽与工艺蒸汽分开供应虽可以有效避免因设备泄露，但却增加了设备数量、增大了运行维护强度、提高了生产成本。针对上述问题对工艺流程进行优化，得到如图1所示的工艺流程图。

工艺系统采用去离子水作为系统供水，采暖系统的供水为除盐水。由于两系统所用水质不同，因此采用间接加热的方式。工艺用气经工艺设备后存在被污染的可能，因此在工艺设备出口对蒸汽凝结水进行在线放射性检测[13]。放射性检测合格的蒸汽凝结水经除氧器加热后转化为工艺用气在蒸汽转换系统中循环使用。放射性检测不合格的蒸汽凝结水送入特殊处理系统，经处理达标后回用。该系统既解决了蒸汽污染造成的危害，还减少了设备使用量，有效降低了投资成本、设备运行和维护成本。

图1 蒸汽转换系统流程图

2 软件模拟及结果分析

根据相关文献[14-15]设定锅炉系统提供的主蒸汽和工艺设备使用的工艺用气参数如表1所示。

采用Aspen Plus 软件模拟不同工况下的蒸汽转换系统，模拟流程如图2所示。除盐水经除氧器D-106 加热除氧后为锅炉系统供水，用于制备217 ℃的饱和水蒸汽（主蒸汽）。主蒸汽与工艺用水经蒸汽发生器E-101、疏水冷却器E-102 换热后冷凝，在闪蒸罐D-102 内闪蒸。闪蒸蒸汽与空气在换热器E-103 内换热，闪蒸后的凝结水经换热器E-104与空气换热冷却至80 ℃后进入除氧器D-106 中循环使用。工艺侧的去离子水经除氧器D-103 加热除氧后进入疏水冷却器E-102、蒸汽发生器E-101 换热制备工艺用气。工艺用气经工艺设备后冷凝为90 ℃凝结水，在换热器E-105 中被空气冷却至80 ℃，进入除氧器D-103 中循环使用。

表1 系统蒸汽工艺参数

图2 蒸汽转换系统流程模拟图

以主蒸汽作为热源制备188 ℃、1.1 MPaG 的工艺用气，通过改变工艺用气的流量探究系统的变化规律，计算送风系统内空气的温升。分析模拟结果发现，改变工艺用气的流量，系统内除闪蒸罐D-102的闪蒸温度发生改变，其他物料的主要工艺参数均未改变。不同流量下参数的变化规律如图3所示。

图3 不同流量下参数的变化规律

从图3 中可以看出，随着工艺用气流量的增大，闪蒸罐D-102 的温度不断降低，空气升高温差也随之降低。流量在40 000 kg·h-1后变化缓慢，此后适当增加工艺用气的流量，对系统能量回收影响不大。

工艺用气的流量设定为40 000 kg·h-1，探究不同温度的工艺用气对系统的影响，同时计算送风系统内空气的升高温度。对比模拟结果发现，在主蒸汽闪蒸温度不变的情况下，不同饱和温度的工艺用气主要影响除氧器D-103 内工艺凝结水加热除氧时的耗汽量。在图4 中，随着饱和温度的提高，除氧器D-103 内用于除氧的工艺用气的用量无明显变化，空气升高温度集中在9 ℃左右。在满足工艺需求的情况下，工艺用气的温度和压力可采用图4 的中间点188 ℃、1.1 MPaG。根据质量守恒、能量守恒、能量高效利用等原则，经过对比研究，主蒸汽（217 ℃，2.1 MPaG，40 000 kg·h-1）与去离子水换热制备工艺用气时，工艺参数优先选择温度188 ℃、压力1.1 MPaG、流量40 000 kg·h-1。

图4 不同饱和温度下参数的变化规律

3 经济效益分析

从电耗、标煤节耗、烟气减排量分析最适工况（188 ℃、1.1 MPaG、40 000 kg·h-1）的经济效益。

3.1 电耗

蒸汽转换系统中E-103、E-104、E-105 3 台换热器每小时可将1.11×107kJ 的热量传递给空气，为送风系统提供暖风。6—9月温度较高，系统热量被溴化锂吸收式制冷机组利用，用于冷却空气。此时电量的节耗影响因素较多，采用理论计算与实际偏差较大，因此暂不计算经济效益。其余月份因暖风的引用，可节约电量1.8×107kW·h，按1 kW·h单价0.39 元计算，每年可节省702 万元。

3.2 标煤的节耗量

1 kg 标准煤有29 308 kJ 的热量，蒸汽转换系统每小时产生的热量可折合为379 kg 的标准煤，每年可节省标准煤3 320 t。按500 元·t-1的价格计算，每年可节省166 万元。

3.3 烟气减排量

按燃烧1 kg 标准煤释放2.6 kg CO2、0.024 kg SO2、0.007 kg 氮氧化物及0.002 kg 烟尘计算[16]，蒸汽转换系统每年可以减少排放8 632 t CO2、79.7 t SO2、23.2 t 氮氧化物及6.6 t 烟尘，有利于环境的保护。

4 结论

1）对蒸汽转换系统对比研究发现，采用主蒸汽与工艺用水直接换热、循环使用的方式为系统提供工艺用气和能量，有效降低了设备投资和后期运行成本。在工艺设备出口处对凝结水进行在线放射性检测，实现了从源头上杜绝辐射污染的目的。

2）采用Aspen Plus 软件对不同工况进行模拟，可获得不同工况下的工艺参数，减少了系统的试验次数，确定了最适工艺参数的范围，有效缩短了开工时间，对实际生产应用具有重要意义。

3）通过对闪蒸罐的闪蒸温度、除氧器加热过程中工艺用气的消耗量以及空气温升的分析，确定当主蒸汽（217 ℃、2.1 MPaG、40 000 kg·h-1）与去离子水换热制备工艺用气时，在满足工艺用气的条件下，最优工艺参数为温度188 ℃、压力1.1 MPaG，流量40 000 kg·h-1。

4）送风系统和溴化锂吸收式制冷机组的增设，可以有效利用系统运行中的多余热量，实现节电1.8×107kW·h、节省3 320 t 标准煤、减排大量烟气、创造上百万的经济效益，拥有良好的经济、社会和环境效益，具有广阔的应用前景。