一种高效核能利用系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高效核能利用系统及方法，包括耦合用化石燃料锅炉，所述耦合用化石燃料锅炉将传统锅炉的水冷壁替换为汽冷墙式过热器；及用来调节锅炉炉膛不同区域火焰和烟气温度的烟气再循环系统，所述烟气再循环系统的烟气取自引风机后，由烟气再循环风机抽至炉膛各区域，在再循环风机至炉膛各区域的管路上设有调节风门，调节至炉膛不同区域的再循环烟气量，从而使得炉膛内各处的烟气温度可控，进而使得锅炉内烟气温度和蒸汽温度各处均可控。本发明专利技术特殊设计的采用烟气分区再循环技术的化石燃料锅炉，解决了耦合用化石燃料锅炉汽水系统和燃烧系统的自耦合问题，增强了核能与常规能源耦合的系统设计中的关键设备的可用性。

An efficient nuclear energy utilization system and method

The invention discloses a high-efficiency nuclear energy utilization system and method, which comprises a fossil fuel boiler for coupling, the fossil fuel boiler for coupling replaces the water wall of the traditional boiler with a steam wall type superheater, and a flue gas recycling system for regulating the flame and flue gas temperature in different areas of the boiler furnace, wherein the flue gas of the flue gas recycling system is taken from the induced draft fan and recycled by the flue gas The annular fan is pumped to each area of the furnace, and a regulating valve is arranged on the pipeline from the recirculation fan to each area of the furnace to regulate the amount of recycled flue gas in different areas of the furnace, so as to make the flue gas temperature in all parts of the furnace controllable, and then make the flue gas temperature and steam temperature in the boiler controllable. The fossil fuel boiler specially designed by the invention adopts the flue gas zonal recycling technology, solves the self coupling problem of the steam water system and the combustion system of the coupling fossil fuel boiler, and enhances the availability of the key equipment in the system design of the coupling of nuclear energy and conventional energy.

【技术实现步骤摘要】
一种高效核能利用系统及方法
本专利技术涉及能源
，特别是涉及一种高效核能利用系统。
技术介绍
现代商用的核电厂主要是亚临界机组，沸水堆核电厂的反应堆一回路冷却剂被引入汽轮机，辐射防护和废物处理比较复杂，因此压水堆为现代商用核电技术的主流。常规压水堆一般为两回路系统，其中二回路系统的蒸汽带动汽轮机发电。由于反应堆载热剂温度的限制(压水堆平均出口温度一般低于330摄氏度)，只能生产压力较低的(5.0～8.0MPa)饱和蒸汽或微过热(过热度为20～30摄氏度)蒸汽，全机理想比焓降很小，蒸汽湿度又高，为了增大单机功率，其蒸汽流量必然很大。目前商用核电厂二回路系统的参数一般为压力约6～8MPa，温度约230℃～290℃左右，发电效率约34％。超临界水冷堆(SCWR)反应堆堆芯出口参数压力约25MPa，温度约500℃，与常规压水堆相比，少一个回路，堆芯出口的热流体直接进入汽轮机，系统热效率接近45％，远高于常规水冷堆34％的热效率。但超临界水冷堆一直处于研究状态，但由于参数大幅提高，缺乏传热流动实验和数值数据，以及缺乏堆内关键材料在超临界水冷堆条件下的化学性能和力学性能等原因，技术上还存在较大的困难，有乐观文献认为需要到2028年具备商用堆建设能力。核电厂大多数都使用饱和蒸汽，核电汽轮机2/3的作功是在低压缸中完成，但核电汽轮机低压缸的排汽湿度较大，一般高达12％～14％，容易造成叶片侵蚀、腐蚀，因此一般采用半速汽轮机，而且在高压缸后需要加专门的汽水分离再热器进行除湿、再热。而火电厂普遍采用过热蒸汽，过热度高，普遍采用全速汽轮机。半速汽轮机转子直径大、重量重，一般来讲，半速汽轮机的材料消耗量要比全速汽轮机超过2倍，对于整台机组来说，半速汽轮机的重量约为全速机组的1.2～2.4倍。相应的汽轮机基础的支承负荷也加大，土建投资加大；半速汽轮机在运输、起吊、安装等方面的投资也比全速汽轮机高。设备造价和安装土建费，半速机比全速机高20％～30％(对整个常规岛相当于高7％左右)。众所周知，核电厂的投资远大于火电厂，而火电厂的热效率又普遍高于核电厂。如果采用合适的方法，搭建合适的系统，能够把火电厂的热力系统耦合进核电厂，那么既能大幅降低初投资，又能大幅提高运行热效率，将大幅提升经济性。由于高温气冷堆的固有安全性，其燃料元件的设计容许温度高达1600℃，故10MW高温气冷实验堆已建成。文献朱书堂“模块式高温气冷堆超临界循环一次再热方案研究”，2007年提出了一种将模块化高温气冷堆技术与目前已经成熟的超临界蒸汽动力循环技术耦合的方案，采用多堆配一机的方案，一回路采用氦气闭合循环，氦气自上而下流过球床堆芯被加热到750℃左右，二回路采用水及水蒸气循环，水蒸气被氦气加热到超临界蒸汽动力循环所需要的温度，比如565℃，其发电效率将达到45％以上，然而也是由于核岛部分大型化商业化的部分关键技术仍未取得突破，故高温气冷堆仍处在概念设计阶段。由于核岛突破需要解决的技术难点远高于常规火电设备，故核电与超临界蒸汽动力循环耦合的关键点在于不能寄希望于突破核岛设备来适应火电参数，而是突破火电设备来适应核岛参数，然而这条思路却一直没有被研究人员注意。现有技术中公开了核能与常规能源的串并联耦合发电系统及核能与常规能源直接过热耦合发电系统，但都没有提出常规能源锅炉的具体实施方案。核电与常规能源耦合的锅炉虽然采用的是常规的化石燃料，但具体到锅炉岛本身的设计，其边界条件还是与传统的单纯燃用化石燃料的锅炉有很大的不同。众所周知，锅炉由“锅”和“炉”组成，“锅”主要指汽水系统，属于吸热功能，“炉”主要指燃烧系统，属于放热功能。锅炉本身就存在汽水系统和燃烧系统的自耦合问题，自耦合做的不好，则会造成锅炉干烧、炉膛压力不稳定甚至超压爆炸等各种危险的后果。对于每一种特定的锅炉型式，为了满足汽水系统和燃烧系统耦合所采用的技术措施都是不一样的。传统的单纯燃用化石燃料的锅炉的“锅”是把液态水加热到饱和蒸汽，再继续加热到过热蒸汽；而核能与化石燃料耦合的锅炉的“锅”则是把从核岛出来的饱和蒸汽或微过热蒸汽加热到高度过热的蒸汽，这种特制的锅炉没有把液态水加热到饱和蒸汽的过程，也就是说没有汽化的过程，这是因为水吸收汽化潜热没有在锅炉中进行，而是在温度范围等各方面条件更适合的核岛中进行了。这给核电与化石能源耦合所采用的锅炉的设计带来了新的问题，而这个问题的解决方案从未有公开文献报道。综上所述，现有技术中对于核能与常规能源耦合系统中的专用锅炉问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的之一是提供了一种高效核能利用系统，解决了耦合用化石燃料锅炉汽水系统和燃烧系统的自耦合问题，实现了耦合用化石燃料锅炉将从核岛输出的饱和蒸汽或微过热蒸汽加热到高度过热的蒸汽，增强了核能与常规能源耦合的系统设计中的关键设备的可用性。一种高效核能利用系统，包括凝结水系统、给水系统、蒸汽发生系统及蒸汽做功系统，所述凝结水系统将凝结的水依次输出至凝结水低加回热器、烟气余热利用装置、另一级凝结水低加回热器及除氧器进行加热；所述给水系统将除氧器加热后的水通过给水泵打入至核岛加热；所述蒸汽发生系统包括核岛、耦合用化石燃料锅炉，所述给水在核岛内受热蒸发形成温度较低的饱和蒸汽或微过热蒸汽，所述核岛输出的蒸汽分为两路，一路蒸汽以对流换热为主，即输出至耦合用化石燃料锅炉的低温对流过热器，所述低温对流过热器布置在炉膛内接近炉膛出口的位置，由烟气通过低温对流过热器加热从核岛输出的温度较低的饱和蒸汽或微过热蒸汽；另一路蒸汽则是通过墙式过热器入口集箱输出至墙式过热器加热，所接受的辐射换热和对流换热并重，所述墙式过热器出口设有墙式过热器出口集箱，两路加热后的蒸汽在高温对流过热器入口汇合，并在高温对流过热器中进一步被加热为高度过热的蒸汽；高温对流过热器的热源来自续燃区域来的烟气与扩容区域再循环烟气汇合后的烟气，低温对流过热器的热源来自扩容区域来的烟气与对流区域再循环烟气汇合后的烟气；所述蒸汽做功系统包括耦合用汽轮机及发电机，所述耦合用汽轮机包括耦合用汽轮机高压缸及耦合用汽轮机低压缸，在高温对流过热器出口输出的高度过热的蒸汽进入耦合用汽轮机高压缸中做功并带动发电机发电，耦合用汽轮机高压缸的排汽进入耦合用汽轮机低压缸进一步做功并带动发电机发电。进一步优选的技术方案，所述耦合用汽轮机高压缸和耦合用汽轮机低压缸同轴布置或分轴布置，分轴布置时所述耦合用汽轮机高压缸及低压缸分别连接至各自对应的发电机，同轴布置时耦合用汽轮机高压缸通过主轴连接至耦合用汽轮机低压缸，耦合用汽轮机低压缸通过主轴连接至两者共用的发电机。进一步优选的技术方案，所述耦合用化石燃料锅炉连接有烟气再循环系统，所述烟气再循环系统通过输入烟气至耦合用化石燃料锅炉炉膛不同的区域用来调节炉膛不同区域火焰和烟气温度，使得炉膛内各处的烟气温度可控，进而使得锅炉内蒸汽温度各处均可控。进一步优选的技术方案，所述耦合用化石燃料锅炉包括燃烧室、炉膛及尾部烟道，炉膛位于燃烧室的上部，尾部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效核能利用系统，其特征是，包括凝结水系统、给水系统、蒸汽发生系统及蒸汽做功系统，所述凝结水系统将凝结的水依次输出至凝结水低加回热器、烟气余热利用装置、另一级凝结水低加回热器及除氧器进行加热；/n所述给水系统将除氧器加热后的水通过给水泵打入至核岛加热；/n所述蒸汽发生系统包括核岛、耦合用化石燃料锅炉，所述给水在核岛内受热蒸发形成温度较低的饱和蒸汽或微过热蒸汽，所述核岛输出的蒸汽分为两路，一路蒸汽以对流换热为主，即输出至耦合用化石燃料锅炉的低温对流过热器，所述低温对流过热器布置在炉膛内接近炉膛出口的位置，由烟气通过低温对流过热器加热从核岛输出的温度较低的饱和蒸汽或微过热蒸汽；另一路蒸汽则是通过墙式过热器入口集箱输出至墙式过热器加热，所接受的辐射换热和对流换热并重，所述墙式过热器出口设有墙式过热器出口集箱，两路加热后的蒸汽在高温对流过热器入口汇合，并在高温对流过热器中进一步被加热为高度过热的蒸汽；/n所述蒸汽做功系统包括耦合用汽轮机及发电机，所述耦合用汽轮机包括耦合用汽轮机高压缸及耦合用汽轮机低压缸，在高温对流过热器出口输出的高度过热的蒸汽进入耦合用汽轮机高压缸中做功并带动发电机发电，耦合用汽轮机高压缸的排汽进入耦合用汽轮机低压缸进一步做功并带动发电机发电；/n所述耦合用化石燃料锅炉连接有烟气再循环系统，所述烟气再循环系统通过输入烟气至耦合用化石燃料锅炉炉膛不同的区域用来调节炉膛不同区域火焰和烟气温度，使得炉膛内各处的烟气温度可控，进而使得锅炉内蒸汽温度各处均可控。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高效核能利用系统，其特征是，包括凝结水系统、给水系统、蒸汽发生系统及蒸汽做功系统，所述凝结水系统将凝结的水依次输出至凝结水低加回热器、烟气余热利用装置、另一级凝结水低加回热器及除氧器进行加热；
所述给水系统将除氧器加热后的水通过给水泵打入至核岛加热；
所述蒸汽发生系统包括核岛、耦合用化石燃料锅炉，所述给水在核岛内受热蒸发形成温度较低的饱和蒸汽或微过热蒸汽，所述核岛输出的蒸汽分为两路，一路蒸汽以对流换热为主，即输出至耦合用化石燃料锅炉的低温对流过热器，所述低温对流过热器布置在炉膛内接近炉膛出口的位置，由烟气通过低温对流过热器加热从核岛输出的温度较低的饱和蒸汽或微过热蒸汽；另一路蒸汽则是通过墙式过热器入口集箱输出至墙式过热器加热，所接受的辐射换热和对流换热并重，所述墙式过热器出口设有墙式过热器出口集箱，两路加热后的蒸汽在高温对流过热器入口汇合，并在高温对流过热器中进一步被加热为高度过热的蒸汽；
所述蒸汽做功系统包括耦合用汽轮机及发电机，所述耦合用汽轮机包括耦合用汽轮机高压缸及耦合用汽轮机低压缸，在高温对流过热器出口输出的高度过热的蒸汽进入耦合用汽轮机高压缸中做功并带动发电机发电，耦合用汽轮机高压缸的排汽进入耦合用汽轮机低压缸进一步做功并带动发电机发电；
所述耦合用化石燃料锅炉连接有烟气再循环系统，所述烟气再循环系统通过输入烟气至耦合用化石燃料锅炉炉膛不同的区域用来调节炉膛不同区域火焰和烟气温度，使得炉膛内各处的烟气温度可控，进而使得锅炉内蒸汽温度各处均可控。


2.如权利要求1所述的一种高效核能利用系统，其特征是，所述耦合用汽轮机高压缸和耦合用汽轮机低压缸同轴布置或分轴布置，分轴布置时所述耦合用汽轮机高压缸及低压缸分别连接至各自对应的发电机，同轴布置时耦合用汽轮机高压缸通过主轴连接至耦合用汽轮机低压缸，耦合用汽轮机低压缸通过主轴连接至两者共用的发电机。


3.如权利要求1所述的一种高效核能利用系统，其特征是，所述耦合用化石燃料锅炉包括燃烧室、炉膛及尾部烟道，炉膛位于燃烧室的上部，尾部烟道连接至炉膛，墙式过热器布置在整个炉膛的炉墙上；
所述炉膛自下至上划分为续燃区域、扩容区域、对流区域，对流区域自下至上依次设置有高温对流过热器及低温对流过热器。


4.如权利要求3所述的一种高效核能利用系统，其特征是，所述扩容区域包括锥段、锥段的前置直段、扩容区域烟气再循环管路连接口，所述扩容区域烟气再循环管路连接口位于锥段的前置直段上，所述锥段的前置直段位于锥段的下方，所述锥段的前置直段与续燃区域连接，所述扩容区域烟气再循环管路连接口连接自扩容区域烟气再循环管路；
所述对流区域的中部，即高温对流过热器和低温对流过热器之间的炉膛直段上设置有对流区域烟气再循环管路连接口，在所述对流区域中，对流烟气再循环管路连接口上方区域布置有低温对流过热器，所述对流区域烟气再循环管路连接口连接对流区域烟气再循环管路；
所述续燃区域包括一段过渡直段炉膛、续燃区域烟气再循环管路连接口，所述过渡直段炉膛与其下方的燃烧室顶部相连接，并与其上方的锥段的前置直段相连接，在所述过渡直段炉膛内实现对燃烧室排出的燃料的进一步燃烧，所述续燃区域烟气再循环管路连接口连接续燃区域烟气再循环管路。


5.如权利要求3所述的一种高效核能利用系统，其特征是，所述尾部烟道内依次设置有...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴放，王龙林，杨俊波，祁金胜，张书迎，胡训栋，刘义达，叶永强，隋菲菲，苗井泉，潘绍成，孙奇，
申请(专利权)人：山东电力工程咨询院有限公司，国家核电技术公司，东方电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37