核电站高温气冷堆发电制氢制淡水三联产系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于核能应用技术领域，特别是涉及一种核电站高温气冷堆发电制氢制淡水三联产系统及其方法。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的发展，我国未来可能同时面临能源短缺、环境污染、淡水紧缺等一系列问题。核电作为一种清洁能源，对于满足电力需求、优化能源结构、减少环境污染都具有重要意义，今后我国将大力发展核电。核电堆型中的高温气冷堆是第四代先进核电技术，具有安全性好，热经济性好的特点，目前我国已较好掌握该项技术并逐步国产化。高温气冷堆除了用于高效发电，其高温氦气也适用于制氢工艺。氢能是21世纪最有发展潜力的燃料和能量载体，具有发热值高、清洁无污染的优点，在国民生产各个领域中都有非常广泛的应用，因此高温气冷堆用于制氢具有良好的发展前景和独特优势。目前的制氢工艺主要是化石燃料制氢和水电解制氢，化石燃料制氢消耗大量化石能源、产生大量二氧化碳，不适应未来社会发展的需求，而水电解制氢是完全清洁的制氢方式，具有产品纯度高、操作简便的特点，因此水电解与高效清洁一次能源耦合制氢是理想的大规模制氢技术。目前水电解制氢有三类电解槽，分别为碱性电解槽，聚合物薄膜电解槽、固体氧化物电解槽，其中对应于高温蒸汽电解制氢技术的固体氧化物电解槽工作在高温下，部分电能由热能代替，因此是三种电解槽中效率最高的，并且成本也不高。高温气冷堆能够同时提供固体氧化物电解槽高温蒸汽电解制氢所需的电能和热能，因此利用高温气冷堆进行高温蒸汽电解制氢是通往氢经济的最佳途径。大规模制氢需要消耗大量的水资源作为代价，全球淡水资源紧缺而海水资源则取之不尽用之不竭，若直接用海水电解制氢，电解槽容易产生有毒的氯气而变得不可行，而核电站的低品位余热适合作为蒸馏法海水淡化技术的热源，因此利用核能海水淡化可以满足生活用水需求和水电解制氢的用水要求。综合以上分析可知，利用核电站高温气冷堆进行发电制氢制淡水三联产具有很好的可行性和优越性。
[0003]高温气冷堆从发电角度出发，由于堆芯出口温度与目前的蒸汽循环最高初温相差较大难以匹配，因此并不适合单独采用蒸汽循环，而进一步采用氦气-蒸汽联合循环在技术上尚未成熟。目前主流发电方式采用的热力循环是有回热的闭式氦气循环，氦气循环又分为直接氦气循环和间接氦气循环，直接氦气循环的热效率更高具有良好的发展前景。随着高温气冷堆的技术发展，堆芯出口温度越来越高，闭式氦气循环的效率将得到进一步提高。关于如何利用高温气冷堆进行高温蒸汽电解制氢，有学者提出如下方案:堆芯出口高温氦气先用于加热蒸汽提高其温度，再用于加热给水产生高压蒸汽，大部分高压蒸汽用于蒸汽循环发电，小部分高压蒸汽继续被加热用于电解制氢。经分析可知，该方案即使全部发电量都用于电解制氢，电解制氢所消耗的蒸汽量也只占总蒸汽量的很小份额，这部分蒸汽加热升温所需的显热与总蒸汽量的汽化潜热相比数值非常小，因此高温氦气的绝大部分热能仍然贬值利用，近似于高温气冷堆单独采用蒸汽循环，与此同时蒸汽循环冷凝器的出口水温较低(大约40°C)难以利用，造成大量的冷源损失，故上述方案实际上并不可取。高温气冷堆采用闭式氦气循环，堆芯出口高温氦气先用于氦气轮机发电，本身具有较高的发电效率，氦气轮机的高温排气再用于生产固体氧化物电解制氢所需的高温蒸汽，也有利于与电解槽的余热系统相结合，与此同时闭式氦气循环冷却器的出口水温较高(一般100°c以上)也适合作为海水淡化的热源，因此采用有回热的直接氦气循环的高温气冷堆较容易实现发电制氢制淡水三联产系统。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种循环热效率高、调节性能好、提高设备可靠性的核电站高温气冷堆发电制氢制淡水三联产系统。
[0005]本发明的另一个目的在于提供一种利用核能实现水电氢三联产、减少环境污染、综合效益好的核电站高温气冷堆发电制氢制淡水三联产的方法。
[0006]本发明的目的是通过下述的技术方案加以实现的:
本发明是一种核电站高温气冷堆发电制氢制淡水三联产系统，它包括核电站闭式氦气循环系统、过热器、蒸汽发生器、原海水管道、闪蒸器、蒸汽喷射器、海水淡化装置、给水栗、固体氧化物电解槽、辅助蒸汽管道。所述的核电站闭式氦气循环系统包括压气机、回热器、高温气冷堆、燃气轮发电机组、调节阀、冷却器以及相关的管道并组成一个单回路循环;所述的燃气轮发电机组的排气出口分为两路:一路与回热器高温侧的氦气进口连接并在该管道上设置调节阀，另一路与过热器的氦气进口连接;所述的过热器的氦气出口与蒸汽发生器的氦气进口连接，过热器的蒸汽出口分为两路:一路与辅助蒸汽管道连接，另一路与固体氧化物电解槽的蒸汽进口连接并在该管道上设置控制阀;所述的蒸汽发生器的氦气出口与冷却器的氦气进口连接，蒸汽发生器的饱和蒸汽出口与过热器的蒸汽进口连接;所述的原海水管道螺旋或曲折穿过冷却器后与闪蒸器的海水进口连接，所述的闪蒸器的闪蒸蒸汽出口与蒸汽喷射器的低压蒸汽进口连接，闪蒸器的浓海水出口与海水淡化装置的海水进口连接;所述的蒸汽喷射器的高压蒸汽进口与辅助蒸汽管道连接，蒸汽喷射器的蒸汽出口与海水淡化装置的热源进口连接;所述的海水淡化装置的淡化水出口分为两路:一路作为产品水输出，另一路与蒸汽发生器的给水进口连接并在该管路上布置给水栗，海水淡化装置设有排污口；所述的辅助蒸汽管道两端分别与过热器的蒸汽出口和蒸汽喷射器的高压蒸汽进口连接。
[0007]所述的燃气轮发电机组的排气温度在550?650°C之间；所述的闪蒸器的海水进口温度在100?150°C之间，闪蒸器的闪蒸蒸汽出口温度在40?50°C之间；所述的蒸汽发生器的饱和蒸汽出口温度在200?374°C之间；所述的过热器的蒸汽出口温度在520?620°C。
[0008]本发明是一种核电站高温气冷堆发电制氢制淡水三联产的方法，它包括以下过程:
I)原海水管道内的海水经冷却器吸热后形成热海水进入闪蒸器发生闪蒸过程。闪蒸器的闪蒸蒸汽进入蒸汽喷射器由来自辅助蒸汽管道的高压蒸汽进行引射混合成较高温度的蒸汽前往海水淡化装置作为驱动热源，闪蒸器的浓海水送至海水淡化装置作为进料海水。海水淡化装置输出的淡化水分为两路:一路作为产品水输出，另一路由给水栗输送至蒸汽发生器作为给水。给水在蒸汽发生器内吸热蒸发形成高压蒸汽，高压蒸汽经过热器进一步加热升温形成过热蒸汽，一部分过热蒸汽前往固体氧化物电解槽进行电解制氢，另一部分过热蒸汽通过辅助蒸汽管道前往蒸汽喷射器作为引射用汽；
2)高温气冷堆堆芯出口的高温氦气进入氦气轮发电机组作功发电，部分发电量提供电解制氢的电力。氦气轮发动机组的高温排气分为两路，一路前往回热器高温侧进行余热回收，另一路先后送至过热器和蒸汽发生器依次进行放热，放热后的两路氦气重新汇合在一起并进入冷却器进行冷却，冷却后的氦气先后经压缩机压缩和回热器低温侧加热后重新进入高温气冷堆进行下一轮循环。
[0009]采用上述方案后，本发明具有以下几个优点:
I)实现水电氢三联产。闭式氦气循环的高温氦气用于发电，中高温排气余热用于蒸汽电解制氢，低温余热冷却水用于海水淡化，实现了淡水、氢气、电力三种产品同时联合生产的功能。
[0010]2)循环热效率高。氦气轮机的高温排气用于蒸汽电解制氢的热效率可达80?90%，远高于高温排气用于蒸汽循环发电的热效率，并省去蒸汽轮机及辅助设备;另外，闭式氦气循环冷却水带出的余热用于本发明的海水淡化方式基本上实现余热全额回收重复利用，因此整个系统的循环热效率非常高。
[0011]3)调节性能好。本发明中通过控制阀可以控制海水淡化装置输出的淡化水产量以及电解槽的氢气产量与耗电量；调节给水栗的流量可以控制淡水和氢气的比例以及耗电量;操作调节阀可以调节发电成本和净发电量，通过上述协同作用，可以同时满足水电氢不同需求变化的要求。另外，调节给水栗的流量可以实现水氢联产方式，关闭控制阀可以切换为水电联产模式，因此运行方式灵活多变，适应性强。
[0012]4)提高设备可靠性。氦气轮机的高温排气只有部分流量通过回热器，明显缩小了回热器的尺寸，解决了有回热的闭式氦气循环中回热器体积庞大、工艺复杂、造价昂贵的工程难点。
[0013]5)减少环境污染。本发明采用的核能发电和蒸汽电解制氢都是清洁生产方式，不会造成空气污染，整个系统只有少量的浓海水排向外界且可用于制盐，与一般核电站冷凝器仍需向环境排放大量温海水相比，污染进一步降低。
[0014]6)经济效益好。本发明采用