基于深度余热利用的核能耦合燃气轮机发电的系统的制作方法

本实用新型涉及能源技术领域，特别涉及一种基于深度余热利用的核能耦合燃气轮机发电的系统。

背景技术：

压水堆是现代商用核电的主流技术。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℃)，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℃)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％。根据朗肯循环可知，二回路所能产生的蒸汽参数较低限制了压水堆电站发电效率的提高。

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达、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)。

现有技术中，美国专利US005457721A采用燃气轮机的余热锅炉产生的高压蒸汽去加热核岛的蒸汽发生器产生的蒸汽，并在高压缸中做功，采用燃气轮机的余热锅炉产生的低压蒸汽去加热核岛的汽水分离器出口的蒸汽，并在低压缸中做功，由于通过耦合提升了蒸汽参数，进而提高了核电的发电效率；美国专利US6244033B1采用补燃型的余热锅炉直接加热核岛出口的蒸汽，被加热的蒸汽进入汽轮机做功，同样是由于通过耦合提升了蒸汽参数，进而提高了核电的发电效率。然而，核岛出口以及高压缸出口的蒸汽在230℃～290℃左右，考虑到换热端差，所以加热蒸汽用的烟气的出口温度在300℃以上，该烟气仍具有较高的热量，直接加热给水或者直接排放至大气均会造成热量的浪费。而且天然气调压站后温度会下降，为了防止产生天然气凝固堵塞管路，需要在减压前进行加热，常规燃气轮机发电设置天然气炉产生蒸汽对天然气加热，由于天然气价格较贵，故成本较高。

技术实现要素：

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种基于深度余热利用的核能耦合燃气轮机发电的系统，本实用新型既可以解决核能所产生的蒸汽品位低和发电效率低的问题，又可以解决耦合用燃气轮机余热得不到充分利用的问题，还可以降低耦合系统天然气调压加热系统的运行成本。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于深度余热利用的核能耦合燃气轮机发电的系统，包括核岛、耦合用汽轮机、高压加热器、燃气轮机、补燃型余热锅炉、非补燃型余热锅炉、蒸汽蓄热器和除氧器，其中：

所述除氧器中被除氧的水送至高压加热器被高压抽汽加热，且高压抽汽加热后的给水分成两路，一路进入核岛，在核岛中受热蒸发成为饱和蒸汽或湿蒸汽；另一路进入非补燃型余热锅炉，在非补燃型余热锅炉内受热产生饱和蒸汽或湿蒸汽，两路饱和蒸汽或湿蒸汽在蒸汽蓄热器中汇合、均匀蒸汽参数后进入补燃型余热锅炉的过热器加热成为过热蒸汽，过热蒸汽进入耦合用汽轮机做功，耦合用汽轮机高压缸的排汽与补燃型余热锅炉的再热器相连接，补燃型余热锅炉连接燃气轮机，耦合用汽轮机和燃气轮机分别带动发电机发电。

作为进一步限定，所述系统还包括压气机和燃烧室，压气机转动将空气压缩，压缩后的空气在燃烧室中与燃气或燃油混合后燃烧，燃烧后的烟气进入燃气轮机做功推动第一发电机发电。

作为更进一步的限定，所述燃气轮机排出的烟气进入补燃型余热锅炉，在补燃型余热锅炉中设置有补燃用的燃烧器，补燃之后的烟气温度大幅提升至1000摄氏度以上，补燃之后的高温烟气用于加热产生过热蒸汽和热再热蒸汽。

作为更进一步的限定，所述补燃型余热锅炉排出的烟气进入非补燃型余热锅炉中加热给水产生饱和蒸汽或干度大于0.9的湿蒸汽。

作为进一步限定，所述核岛对进入的给水加热使其蒸发成为饱和蒸汽或干度大于0.9的湿蒸汽。

作为进一步限定，所述非补燃型余热锅炉对进入的给水加热产生饱和蒸汽或干度大于0.9的湿蒸汽。

作为进一步限定，所述非补燃型余热锅炉排出的烟气进入烟气余热利用装置中加热凝结水，从烟气余热利用装置中排出的烟气经烟囱排至大气。

作为进一步限定，所述蒸汽蓄热器出口设置一路蒸汽进入天然气加热器，以加热天然气，换热后的蒸汽冷凝成凝结水后进入凝汽器。

优选的，所述耦合用汽轮机采用全速汽轮机。

优选的，所述耦合用汽轮机包括高压缸、中压缸和低压缸，耦合用汽轮机的高压缸的排汽(也称为“冷再热蒸汽”)在补燃型余热锅炉的再热器中被加热成为热再热蒸汽，热再热蒸汽进入耦合用汽轮机的中压缸做功，耦合用汽轮机的中压缸的排汽进入耦合用汽轮机的低压缸做功，耦合用汽轮机的高压缸、中压缸和低压缸做功带动发电机发电。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型充分利用了核燃料产生蒸汽成本低廉的特点，用核岛产生的蒸汽去加热天然气，大大降低了燃气轮机发电的成本。

2、本实用新型充分利用补燃型余热锅炉的烟气温度较高的特点，把核岛产生的饱和蒸汽加热成为过热蒸汽，耦合系统的蒸汽温度达到400～700℃，与核岛出口的300摄氏度以下的温度相比，循环热效率、发电效率大幅提高，同样的核岛投资和运行成本下，核能所发出的电力大幅提高，从而实现了高效核能利用。

3、本实用新型设置补燃型余热锅炉、非补燃型余热锅炉、烟气余热利用装置，梯度利用烟气余热，提高了能源综合利用效率，由于耦合系统产生的蒸汽过热度较高，经过汽轮机做功后，排汽湿度远低于现代商用的核电汽轮机，因此耦合用汽轮机具备了采用更轻更紧凑的全速汽轮机的条件，大大降低了投资成本；

4、本实用新型的核岛采用常规的核岛两回路技术，核岛技术成熟，辐射防护和废物处理也比较成熟简单。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为实施例一的结构示意图；

图2为实施例二的结构示意图；

其中：1、核岛，2、核反应堆，3、核岛回路，4、主泵，5、蒸汽发生器，6、蒸汽蓄热器，7、补燃型余热锅炉，8、过热器，9、再热器，10、燃烧器，11、燃气轮机，12、燃烧室，13、压气机，14、第一发电机，15、天然气加热器，16、天然气调压站，17、非补燃型余热锅炉，18、第二发电机，19、除氧器，20、耦合用汽轮机，20-1、高压缸，20-2、中压缸，20-3、低压缸；21、给水泵，22、高压加热器，23、#1号低压加热器，24、#2号低压加热器，25、烟气余热利用装置，26、烟囱，27、凝汽器，28、循环水泵，29、冷却水池，30、冷却塔；

A、燃气或燃油，B、空气,C、蒸汽；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，基于深度余热利用的核能耦合燃气轮机发电的系统，包括核岛1、燃气轮机11、压气机13、燃烧室12、补燃型余热锅炉7、非补燃型余热锅炉17、蒸汽蓄热器6、天然气加热器15、烟气余热利用装置25、第一发电机14、耦合用汽轮机20、第二发电机18、低压加热器、高压加热器、除氧器19、凝汽器、冷却塔30、循环水泵28、给水泵21等。

耦合用汽轮机20包括耦合用汽轮机高压缸20-1、耦合用汽轮机中压缸20-2、耦合用汽轮机低压缸20-3。

除氧器19中被除氧的水经给水泵21送至高压加热器22被高压抽汽加热，被高压加热器22中的高压抽汽加热后的给水分成两路，一路进入核岛1，在核岛1中受热蒸发成为饱和蒸汽或干度大于0.9的湿蒸汽；另一路进入非补燃型余热锅炉17中受热产生饱和蒸汽或干度大于0.9的湿蒸汽；这两路饱和蒸汽或干度大于0.9的湿蒸汽在蒸汽蓄热器6中汇合、均匀蒸汽参数后进入补燃型余热锅炉7的过热器8加热成为过热蒸汽，过热蒸汽进入耦合用汽轮机高压缸20-1做功，耦合用汽轮机高压缸20-1的排汽与补燃型余热锅炉7的再热器9相连接，耦合用汽轮机高压缸20-1的排汽在补燃型余热锅炉7的再热器9中被加热成为热再热蒸汽，热再热蒸汽进入耦合用汽轮机中压缸20-2做功，耦合用汽轮机中压缸20-2的排汽进入耦合用汽轮机低压缸20-3做功，耦合用汽轮机的高压缸20-1、中压缸20-2、低压缸20-3做功带动第二发电机18发电。

压气机13转动将空气压缩，压缩后的空气在燃烧室12中与燃气或燃油混合后燃烧，燃烧后的烟气进入燃气轮机11做功推动第一发电机14发电。从燃气轮机11排出的烟气进入补燃型余热锅炉7，在补燃型余热锅炉7中设置有补燃用的燃烧器10，补燃之后的烟气温度大幅提升至1000摄氏度以上，补燃之后的高温烟气用于加热产生过热蒸汽和热再热蒸汽。从补燃型余热锅炉7排出的烟气约300～450摄氏度，该烟气进一步进入非补燃型余热锅炉17中加热给水产生饱和蒸汽或干度大于0.9的湿蒸汽。从非补燃型余热锅炉17排出的烟气约150～250摄氏度，该烟气进一步进入烟气余热利用装置25中加热凝结水。从烟气余热利用装置25中排出的烟气经烟囱26排至大气。

蒸汽蓄热器6出口设置一路约230～290℃蒸汽进入天然气加热器，用于加热天然气，将天然气加热到160～200℃左右，换热后的蒸汽冷凝成80℃左右的凝结水后进入凝汽器。由于核燃料价格便宜，核能产生蒸汽的成本远低于天然气产生蒸汽的成本，因此大大降低了燃气轮机11发电的成本。

优选的，耦合用汽轮机采用全速汽轮机。耦合用汽轮机，由于采用的蒸汽是高度过热的蒸汽，避免了湿蒸汽对叶片的侵蚀、腐蚀，故具备采用全速汽轮机的条件，而且如背景技术所介绍，全速汽轮机可以比半速汽轮机节省大量投资，故耦合用汽轮机优选采用全速汽轮机。

当然，如图2所示，作为另一种实施例，可以将补燃型余热锅炉7的再热器9省略，补燃型余热锅炉7直接连接耦合用汽轮机高压缸20-1，耦合用汽轮机高压缸20-1、中压缸20-2和低压缸20-3依次级联。

其他部件的连接关系可以不变。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。