1000MW压水堆核电机组二回路热力系统的经济性分析_潘诚(1)

发布时间：2024-11-07

22　1000MW 压水堆　

核电机组二回路热力系统的经济性分析　

潘　诚1,李鹏飞2

1.河南省电力勘测设计院,河南郑州　450007

2.中广核工程有限公司,广东深圳　518031

[摘　　　要]　发展核电是降低CO 2排放的重要途径之一,到2020年我国核电运行装机容量将达到

40000MW 。对某1000M W 压水堆核电机组二回路热力系统建立了数学模型,并进行了热经济性分析。结果表明,该机组的热效率为35.53%,汽耗率为5.068kg /(kW ·h )。

[关　键　词]　核电站;1000M W 机组;压水堆;二回路;热力系统;热经济性

[中图分类号]　TL48;TM 621.4

[文献标识码]　A

[文章编号]　1002-3364(2011)08-0022-03

[DOI 编号]　10.3969/j .issn .1002-3364.2011.08.022

ANALYS IS OF EC ONOMIC EFFICIENCY FOR TW O -LO OP THERM ODYNAMIC

SYSTEM IN 1000MW PWR NUCLEAR POWRE PLANT

PAN Cheng 1,LI Pengfei 2

1.H enan Provincial Electric Pow er Su rvey and Design Institute ,Zhengzhou 450007,Henan Province ,PRC

2.Zh ongguang Nuclear Pow er E ngineering Co Ltd ,S henz hen 518031,Guangdong Province ,PRC

Abstract :The developm ent o f nuclear pow er is an impor tant w ay to reduce CO 2emissio n .By 2022,the installed capacity of nuclear po wer units in china w ill reach 40million kilo wa tts .A mathematical model of tw o -loo p thermody namic sy stem fo r a 1000MW pressurized w ater reacto r (PWR )nuclear pow er u -nit has been established ,and the w o rk o f the rmal economic efficiency being carried out .Results show that the thermal efficiency of said unit is 35.53%,and the steam co nsum ption rate being 5.068kg /(kW ·h ).

Key words :PW R ;nuclear pow er ;1000MW unit ;tw o -loop ;the rm ody namic system ;thermal economic efficiency

作者简介:　潘诚(1971-),男,上海人,高级工程师,主要从事电力工程设计和管理。

E -m ail :　panchen g1971@http:// 　　我国燃煤发电约占全国发电量的80%左右,燃煤

带来了大量的CO 2排放,是大气CO 2的主要来源。核

电与火电相比,其不排放SO 2、烟尘、氮氧化物和CO 2,

因此以核电替代部分煤电,是电力工业减排污染物的

有效途径,也是减缓地球温室效应的重要措施[1]。根

据国家《核电中长期发展规划》,到2020年,全国核电运行装机容量争取达到40000M W 。因此,有必要开展核电机组的热经济性分析,以提高核电机组的经济性。

23　1　压水堆核电机组二回路热力系统我国核电机组以压水堆技术为主,目前正在运行

的机组有11台[1]。某1000M W 压水堆核电机组的

二回路热力系统如图1所示

。

图1　某1000MW 压水堆核电机组二回路热力系统

　　同火电机组不同,进入压水堆核电机组汽轮机高压缸的主蒸汽为饱和蒸汽,压力一般在6M Pa 左右,主汽阀前干度为99.5%。蒸汽膨胀做功后高压缸排汽湿度一般在10%以上,所以排汽先进入汽水分离器,分离出的疏水同4号低压加热器(低加)的疏水汇合,分离出的饱和蒸汽进入再热器。一部分主蒸汽作为再热热源,放热后的疏水在1号高压加热器(高加)出口与给水汇合,进入蒸汽发生器。由于机组参数较低,流量较大,汽轮机配置为1台高压缸和4台低压缸。回热系统共有7级回热,2台高加,1台除氧器,4台低加,高压缸有4级抽汽。2　数学模型核电机组热力系统比常规火电机组热力系统多了汽水分离器和再热器,使得系统更为复杂,蒸汽发生器的蒸汽流量为:D ′0=D 0+D r 0(1)

　　汽水分离器的能量平衡方程为:(D rh +D se )h 4=D rh h ′rh +D se h se (2)　　对再热器有:

D r0(h 0-h r0)=D r h (h rh -h ′rh )(3)　　由连续方程:D rh =D 0-∑4i =1

D i -D hf -D se (4)

式中:D rh 为再热蒸汽流量,t /h ;h 4为高压缸排汽比焓,kJ /kg ;D se 为汽水分离器分离出的疏水流量,t /h ;h se 为汽水分离器分离出的疏水比焓,kJ /kg ;h ′rh 为汽水分离器分离出的饱和蒸汽比焓,kJ /kg ;D r0为再热器的用汽量,t /h ;h 0为主蒸汽比焓,kJ /kg ;h r0为再热器疏水比焓,kJ /kg ;h rh 为再热器出口蒸汽比焓,kJ /kg ;D i 为第i 级抽汽量,t /h ;D hf 为高压缸漏汽量,t /h 。

虽然D se 和D r0使回热系统变得复杂,但是在没有

汽水损失的情况下,进入高压缸的主蒸汽量同1号高

加出口的给水量是相同的,均为D 0,D se 可以作为辅助

汽水流量。回热加热器的计算如下,对表面式加热器有[2]:q i =h i -h s i

γi =h s (i -1)-h s i τi =h w i -h w (i +1)

(5)　　对除氧器、带疏水泵的表面式加热器有:

　q i =h i -h w (

i +1)γi =h s (i -1)-h w (i +1)τi =h w i -h w (i +1)

(6)

式中:h i 为第i 级加热器的抽汽比焓,kJ /kg ;q i 为1kg

抽汽在第i 级加热器中的放热焓降,kJ /kg ;h s i 为第i 级加热器的疏水比焓,kJ /kg ;γi 为1kg 上一级疏水在第i 级加热器中的放热焓降,kJ /kg ;h w i 为第i 级加热

器出口给水比焓,kJ /kg 。

压水堆核电机组二回路热力系统复杂,但是矩阵方程[3-6]可兼顾二回路热力系统中能量平衡和流量平衡,而且简洁方便,因此本文采用矩阵方程来计算各级抽汽量,其矩阵热平衡方程矩阵形式为:

AD +A f D f =D 0τ

(7a )

　　展开为:

q 1γ2q 2γ3γ3q

3τ4τ4τ4q 4

τ5τ5τ5τ5q 5

τ6τ6τ6τ6γ6q 6τ7τ7τ7τ7τ7τ7q 7

D 1D 2D 3

D 4D 5

D 6D 7

+0γ2

γ3γ3

4τ4τ4q f4τ5τ5τ5τ50

τ6τ6τ6τ

6γ

τ7τ7τ7τ7τ7τ70

D se 000

=D 0τ1τ2

τ3τ4

τ5τ6τ7

(7b )

　　汽轮机的功率方程为:

D 0h 0-∑z i =1

D i h i -∑z i =1

D f i h f i =P e /(ηm ηg )(8)

式中:h 0为凝汽流的比焓降,kJ /kg ,h 0=h 0-h c +σ,其中h c 为排汽比焓,kJ /kg ;σ=h rh -h ′rh 为再热蒸汽焓升,kJ /kg ;h f i 为第i 股漏气的比焓,kJ /kg ;h i 、h f i 分

别为因做功不足各级抽汽和漏汽的比焓降,kJ /kg ;当i ≤4时,h i =h i -h c +σ,h f i =h f i -h c +σ,其中h f0=0;当i >4时,h i =h i -h c ,h f i =h f i -h c ;ηm 为汽轮机机械效率;ηg 为发电机效率;P e 为发电机电功率,kW 。

机组热效率为:

ηt =

3600P e

D ′0(h 0-h fw )

(9)

式中,h fw 为给水比焓,kJ /kg 。

　　机组汽耗率为:

d 0=

D ′0P e

(10)

3　热经济性分析

对某1000M W 压水堆核电机组额定工况(1060MW )下的二回路热力系统(图1)进行热力计算,其结果如表1所示。

表1　蒸汽流量计算结果

t /h 项目D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D se D r0流量

5372.3

312.2

230.7

223.0

402.5

111.9

153.9

159.8

617.8

495.1

　　热效率:ηt =35.35%

汽耗率:d 0=5.535kg /(kW ·h )热耗率:q 0=10186.6kJ /(kW ·h )

该1000M W 压水堆机组比文献[6-7]中计算的

900M W 机组效率高1.3%。该机组增加了回热级数,并且采用了带疏水泵的表面式加热器和混合式加热器,而900M W 机组4号低加的疏水直接排入凝汽器,增加了冷源损失,所以通过优化回热系统,可以明显提高机组的热效率。

由于压水堆核电机组的蒸汽参数低,与同容量的

超超临界火电机组相比,其热经济性也较低。经计算,该压水堆核电机组的热效率为35.35%,汽耗率为5.535kg /(kW ·h ),而热耗率为10186.6kJ /(kW ·h ),与1000M W 燃煤机组相比,额定工况的热效率约低10个百分点,而汽耗量却高出1倍,热耗率约高出36%。因此,国际上已经开始大力发展超临界水冷堆核电机组,届时效率可达45%,单机容量可进一步提高。

(下转第29页)

从图4可以看出,混合后的工业废渣助燃效果好于单独的工业废渣,当混合后的工业废渣添加量为2%时,能使云贵无烟煤的着火温度降低29℃,能使福建无烟煤的着火温度降低20℃。分析认为,混合后的工业废渣成分更为复杂,在煤粉燃烧过程中各种工业废渣催化剂可以以不同的方式发挥助燃作用,以多种方式促进煤粉的着火燃烧,进一步改善原煤的着火特性。碱金属盐类能够改变煤挥发分析出的组分和加快煤挥发分析出的速度,增加煤挥发分中小分子物质的数量;金属氧化物在煤粉燃烧中充当氧的载体,促进氧气向煤粉表面扩散,使碳与氧气接触变得更为容易。因此,多种工业废渣的催化效果强于单独工业废渣的催化效果。

5　结　论

试验所用的7种工业废渣对降低燃煤着火温度都有一定的促进作用,并且随添加比例的增加其助燃作用增强,其中盐泥2、首钢渣、莱钢渣和锌渣的助燃作用明显强于盐泥1、盐泥3和鞍钢渣。工业废渣能够助燃的原因是其本身含有较多有助燃作用的碱金属、碱土金属的氧化物及其盐类。碱金属盐能加快煤挥发分析出的速度,改变煤挥发分的组成,缩短煤着火时间。金属氧化物在反应中充当氧气的载体,加速氧气向碳表面的扩散,减少了化学反应所需的活化能,从而可降低煤粉的着火温度。将几种工业废渣按一定比例混合进行试验研究,发现工业废渣混合物的助燃效果好于单独的工业废渣。本文试验结果可为新型廉价燃煤催化剂的选择和制备提供依据。

[参　考　文　献]

[1]　郑方能.中国洁净煤技术的研究、开发与示范[J].中国科

技产业,2006,6(8):20-22.

[2]　徐谷衡,蒋君衍,张鹤声.煤催化着火机理[J].同济大学

学报,1993,21(3):415-420.

[3]　公旭中,郭占成,王志.煤质特性对CeO2催化煤粉燃烧的

影响[J].燃料化学学报,2010,38(1):29-34.

[4]　李梅,焦向炜.几种金属化合物对劣质无烟煤燃烧特性的

影响[J].煤炭转化,2008,31(4):95-97.

[5]　张红霞,杨石.生物质秸秆与煤混合的反应动力学研究

[J].电站系统工程,2010,26(1):13-15.

[6]　H E T ian-cai,e t al.Study of M ethanol-to-Ga so line P rocess

fo r P roduc tion of Gaso line f rom Co al[J].Journal of Coal Science&Eng ineering(China),2009,15(1):104-107.

[7]　马爱玲,谌伦建,黄光许,等.生物质与煤混烧燃烧特性研

究[J].煤炭转化,2010(1):55-60.

[8]　Jun Cheng,Junhu Zhou,Jianzho ng Liu,et a l.Phy sico-

chemical Characteriza tions and Desulfurizatio n P roper ties in Coal Co mbustio n of T hree Calcium and Sodium Indus-trial W aste s[J].Energ y&Fuels,2009,23:2506-2516.

[9]　徐万仁,杜鹤桂.催化剂对煤粉燃烧特性的影响[J].燃料

化学学报,1995,23(3):272-277.

[10]　谭志诚,王树东,李莉,等.热重法研究煤燃烧添加剂的催

化助燃效果及作用机理[J].催化学报,1999,20(3):263-266.

(上接第24页)

[参　考　文　献]

[1]　国家发展和改革委员会.核电中长期发展规划(2005～

2020年)[R].2007.

[2]　郭民臣,魏楠.电厂热力系统矩阵热平衡方程式及其应用

[J].动力工程,2002,22(2):1733-1738.

[3]　李运泽,严俊杰,林万超,等.压水堆核电机组二回路的矩

阵分析法[J].热力发电,2000(4):26-28,44.