基于核电余热利用的水热联供系统分析

【摘要】：目前我国核电建设进入快速发展新时期,特别是北方沿海地区全面启动了百万千万核电机组的建设。核电机组运行时会产生大量的乏汽余热,大部分通过循环冷却海水直排入海,造成了低品位能量的严重浪费。如何利用核电机组余热制备供热高温热水和海水淡化,同时实现供热和供水,对同步解决城市清洁采暖和淡水需求两大民生问题具有重要的现实意义。因此,本文基于水热联供原理,将反渗透海水淡化(Seawater Reverse Osmosis,SWRO)技术与基于吸收式换热的热电联产集中供热(District Heating System with Co-generation based on Absorption Heat Exchange,Co-ah)技术有机结合与集成,构建了基于核电余热利用的水热联供系统(以下简称水热联供系统),并围绕系统源侧水热联产环节余热利用、末端供热和供水全工况运行特性以及网侧水热同输水力分析等方面开展研究工作。(1)从核电机组余热利用的安全机理出发探析机组最小冷却流量、最大抽凝比与排汽压力之间的关系。与常规火电供热湿冷机组相比,核电机组最小冷却流量较大,最大抽凝比较小,提高排汽压力需要更大程度增加排汽量。基于核电和火电机组构建了Coah系统,并对其余热回收性能进行了分析。结果表明,核电机组余热回收率较低,且对机组发电影响较大。为此,提出了凝汽器优化运行方案降低余热利用对发电的影响和提高余热回收率。(2)构建了基于核电余热利用的水热联供系统,由水热联产、水热同输和水热分离构成。凝汽器双背压运行,分别满足海水淡化和Co-ah系统余热要求,提高能源利用效率;水热联产环节采用多级串联梯级加热工艺流程,有效降低了换热环节不可逆损失;水热同输管网采用双管形式,解决了供热水量与供淡水量之间的不平衡问题,节省输水系统投资及电耗。(3)针对水热联产各组成部分,建立了变工况特性计算模型,分析了海水温度及供水比等关键参数对水热联产余热回收性能的影响。结果表明,提高海水温度,海水淡化电耗下降,但降低幅度并不明显,吸收式热泵制热性能系数(Coefficient of Performance,COP)及供热负荷变化较小;增加供水比,海水淡化节电量急剧增加,吸收式热泵COP及供热负荷变化较小。与常规水热分供系统相比,水热联产在降低供热能耗和制水电耗方面具有明显优势。(4)利用质调节计算模型,研究了水热联供系统全工况运行时热网水温及供热负荷的变化规律。分析表明,抽汽供热负荷及抽凝比降低,高背压排汽余热负荷增加,机组发电量下降。对供热等效电进行了修正,并分析了系统全工况运行能效。研究表明,综合供热等效电降低,但其能效明显高于其他供热系统。采用城市用水量预测模型对淡化水用水量进行预测,用水量时刻变化,且变化幅度较大。(5)针对水热同输管网,建立了包含循环水泵工作性能和调节阀阻力特性的水力计算求解模型,采用C++编程语言编写了计算程序,并开发了水热同输管网水力分析软件,具有较高的预测精度。水力分析结果表明,回水压线变得较为平缓,输送能耗大幅降低。(6)以威海市核电余热利用项目为例,开展工程实践研究,对水热联供系统的节能性、环保性和经济性进行了分析论证,节能效益显著,环保效益突出,经济效益较好,具有较高的推广和工程应用价值。