山东海阳核电厂水热同产同送示范工程


文|张世钢   北京清建能源技术有限公司教授级高工


2021年,由国家电投山东核电与清华大学联合建设的世界首个“水热同产同送”科技示范工程在海阳投运。该工程通过抽取海阳核电机组蒸汽,驱动水热同产装置同步产送高温高品质淡水,提高了能源综合利用效率,为全国加速核能综合利用、推进“双碳”目标实现提供了重要借鉴。

技术简介

image.png

水热同产同送系统包含三个环节:水热同产、水热同送和水热分离。水热同产装置在实现海水淡化的同时产生高温的热淡水,水热同送系统把热淡水输送到用户端,水热分离装置将热淡水中的热量取出来用于采暖,低温淡水送给自来水公司。

示范工程概况

海阳核电厂水热同产同送示范工程于2020~2021年采暖季建成,设计日产热淡水120吨,供热面积1万平方米,虽然规模很小,却是水热同产同送技术在实际工程中的第一次完整应用,旨在为将来大规模推广应用积累经验和技术。

本工程在海阳核电厂内设置水热同产设备,用核电厂汽轮机抽汽驱动,产生95℃高温淡水,通过一根管径DN80的管道输送到9km外的专家村,在专家村设置水热分离装置,提取的热量用于承担专家村接待中心的采暖热负荷和泳池热负荷,降温以后的淡水满足部分生活用水需求。

image.png

水热同产部分

本工程根据核电厂特殊情况增加了中间回路,核电厂蒸汽首先加热中间回路的热水,再由中间回路热水驱动水热同产装置。设计工况下原海水进口流量10t/h,其中5t/h变成高温热淡水,剩下5t/h变成浓海水排回大海。运行时通过定压水泵保证中间热水回路压力始终高于蒸汽压力,即使换热器发生泄露也是热水往蒸汽一侧漏,从而确保海水以及由海水产生的淡水不会受到核辐射的污染。

水热同产装置包括两套,一套为多级闪蒸水热同产装置,一套为多效蒸馏水热同产装置。多级闪蒸水热同产装置原理:原海水先顺次进入各级冷凝器传热管内被加热升温,从最后一级冷凝器出来后再被中间回路热水加热,然后逐级进入各级闪蒸器闪蒸降温,海水逐级浓缩,最后变成低温浓海水回归大海;每一级闪蒸器产生的蒸汽在本级冷凝器传热管外凝结放热,凝结水就是要得到的淡水,低温级冷凝器产生的淡水先流到高温级冷凝器,跟高温级冷凝水汇合后再流向更高温级冷凝器,最后从最高温级冷凝器流出来,就是高温淡水。示范工程中的多级闪蒸水热同产装置共采用了20级,各级上下排列,整体为立式结构。

多效蒸馏水热同产装置原理:原海水通过冷凝器预热后,作为原料水并联或者串联进入各效蒸发器,第一效蒸发器由中间回路热水加热,海水在传热管外降膜蒸发,产生的蒸汽作为第二效蒸发器热源,热量如此逐级往下传递,蒸汽冷凝水从低温效流到高温效,最后从最高温效流出,就是要得到的高温淡水。示范工程中的多效蒸馏水热同产装置采用14效蒸发、1级冷凝流程,结构上采用圆筒形管壳式垂直布置,海水从上往下靠重力差逐级流动,具有占地面积小、水泵数量少、耗电量低的优点。两套水热同产装置通过框架合成一体,设计产水量5t/h,供水温度95℃。

水热同送部分

根据位置不同分为三部分:一部分在电厂水热同产装置出口,采用两级输送泵,一级泵为低汽蚀余量、高气密性的屏蔽泵,二级泵为高扬程的热水输送泵,并在出口装了稳压罐、安全阀等装置;第二部分为长度9km的输送管线,为了模拟研究将来的远距离输送水力工况,中间加了一座中继泵站,设置在管线中间位置,中继泵前后均设置了稳压罐;第三部分在末端的水热分离装置淡水出口,设置根据阀前压力自动调节出水流量的调节阀和一个稳压罐,使阀前压力维持在设定范围之内,保证高温热淡水在任何情况下都不会汽化和超压。

水热分离部分

示范工程中的水热分离部分设置了一台吸收式换热机组,由一台热水型吸收式热泵和一台水/水换热器组成。热淡水设计进口温度95℃,在吸收式热泵发生器、水/水换热器和吸收式热泵蒸发器中梯级降温至23℃后,作为生活用水。热网水进口设计温度40℃,在吸收式热泵的吸收器、冷凝器和水/水换热器中吸热升温至50℃,用于专家村接待中心采暖和泳池加热。

示范工程运行性能

示范工程于2021年3月正式投运,开机1小时以后工况就基本稳定,各参数与设计值基本吻合。本示范工程实际运行性能经过第三方检测,所产淡水水质各项指标均符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)。

2021年5月11日,中国节能协会在海阳核电厂组织召开了“山东海阳核电厂水热同产同送示范工程”专家研讨会,专家认为:海阳核电厂水热同产同送示范工程,首次将水热同产同送技术应用于工程,证明了水热同产同送技术是可行的,为该技术的进一步深化研究和大规模工程应用迈出了坚实的关键一步。

下一步研究方向

在示范工程所研究流程的基础上,工程将进一步增加跨季节蓄热水池,非采暖季热水储存在水池里面,采暖季与核电厂来水一起送给用户。如果水热分离后的低温淡水在冬天用不完,可以送回水池,春天的时候再取出来用,从而实现水热同储。新系统可以使供热/供水量增加三倍,设备利用率和经济性也得到改善。蓄热水池还可以兼做系统调峰热源,从而取消燃气等化石能源调峰,实现零碳供热。