高溫氣冷堆氦氣間接循環(huán)制氫耦合發(fā)電系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高溫氣冷堆氦氣間接循環(huán)制氫耦合發(fā)電系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氫氣作為重要的工業(yè)原料和最清潔能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中被廣泛地應(yīng)用。當(dāng)今我國(guó)工業(yè)的制氫方法主要是化石燃料制氫，其中以天然氣水蒸汽轉(zhuǎn)化制氫的應(yīng)用最為普遍，并且成本最低，但該制氫工藝目前仍存在能耗較高的問(wèn)題。目前制氫工藝從轉(zhuǎn)化爐出來(lái)的轉(zhuǎn)化氣溫度一般在750?800°C之間，該轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入低壓水蒸汽發(fā)生器用于加熱給水產(chǎn)生
3.5Mpa、245°C的飽和水蒸汽，該環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化氣和給水的換熱溫差非常大，熱量嚴(yán)重貶值利用，與此同時(shí)，副產(chǎn)蒸汽量屬于低品位熱能并且產(chǎn)量過(guò)多，遠(yuǎn)大于工藝本身所需的用汽量，由此涉及對(duì)外供熱環(huán)節(jié)，又容易造成熱量的浪費(fèi)。若能采用先進(jìn)的工藝技術(shù)以求合理有效地利用轉(zhuǎn)化氣余熱的能量品位，將達(dá)到節(jié)能降耗的目的，進(jìn)一步降低制氫的綜合成本。傳統(tǒng)的天然氣水蒸汽轉(zhuǎn)化制氫法中，天然氣既作為反應(yīng)物，又燃燒作為反應(yīng)的熱源，需要大量的天然氣并產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)怏w，這點(diǎn)上亟需尋求合適的替代熱源。核電作為一種清潔能源，對(duì)于滿足電力需求、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染都具有重要意義，在國(guó)家相關(guān)政策下我國(guó)的核電事業(yè)已得到了蓬勃發(fā)展，若用核反應(yīng)堆作為制氫工藝的熱源時(shí)，制氫過(guò)程所需要的天然氣量可以顯著減少，并能夠?qū)崿F(xiàn)高效、大規(guī)模地制氫，同時(shí)減少溫室氣體的排放。要實(shí)現(xiàn)核能和制氫工藝的耦合，要求核反應(yīng)堆的輸出溫度和制氫過(guò)程的最高溫度必須相匹配，這點(diǎn)上只有氦氣冷卻的高溫氣冷堆可以提供足夠高的溫度來(lái)驅(qū)動(dòng)制氫體系。高溫氣冷堆具有安全性好，熱經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，屬于第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)技術(shù)之一。目前高溫氣冷堆較為成熟可靠的熱力循環(huán)是氦氣透平間接循環(huán)，該循環(huán)方式要求氦氣輪機(jī)進(jìn)口具有較高的壓力和溫度，從而達(dá)到一定的功率和循環(huán)效率，但是當(dāng)高溫氣冷堆為制氫工藝提供工藝熱后，從轉(zhuǎn)化爐出來(lái)的氦氣溫度已處于較低的溫度水平，大約在350?400°C之間，已無(wú)法滿足氦氣輪機(jī)的進(jìn)氣參數(shù)要求，因此高溫氣冷堆的同一股高溫氦氣只能單獨(dú)用于制氫或單獨(dú)進(jìn)行氦氣循環(huán)發(fā)電，這點(diǎn)上并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)核電站與制氫工藝的完全耦合。綜合以上分析，若能尋求一種新的先進(jìn)的核能熱力循環(huán)，使得在同一循環(huán)內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)制氫和發(fā)電的目的，整個(gè)系統(tǒng)將具有很高的熱經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)未來(lái)核能制氫與發(fā)電聯(lián)合生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種能量梯級(jí)利用、熱效率高、可提供氫氣和電力的高溫氣冷堆氦氣間接循環(huán)制氫耦合發(fā)電系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種將核電站發(fā)電系統(tǒng)與制氫系統(tǒng)相耦合，實(shí)現(xiàn)氫電聯(lián)產(chǎn)的高溫氣冷堆氦氣間接循環(huán)制氫耦合發(fā)電的方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)下述的技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的: 本發(fā)明是一種高溫氣冷堆氦氣間接循環(huán)制氫耦合發(fā)電系統(tǒng)，它包括核能發(fā)電系統(tǒng)、制氫系統(tǒng)、高壓氦氣再熱器、甲烷輸送管道、給水管道、水蒸汽管道、氫氣輸送管道。所述的核能發(fā)電系統(tǒng)由高溫氣冷堆、壓縮機(jī)、氦氦換熱器、氦氣輪機(jī)、冷卻器組成;所述的高溫氣冷堆與氦氦換熱器的一次側(cè)連接形成核電站一回路;所述的壓縮機(jī)與氦氦換熱器的二次側(cè)、氦氣輪機(jī)、冷卻器連接構(gòu)成核電站二回路部分;所述的氦氦換熱器的二次側(cè)氦氣出口與制氫系統(tǒng)連接;所述的氦氣輪機(jī)的進(jìn)口與高壓氦氣再熱器連接;所述的制氫系統(tǒng)由轉(zhuǎn)化反應(yīng)器、低壓水蒸汽發(fā)生器、中溫變換器、甲烷預(yù)熱器、給水除氧器、變壓吸附器、轉(zhuǎn)化氣管道組成；所述的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的原料進(jìn)口與甲烷輸送管道、水蒸汽管道相連接;轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化氣出口通過(guò)轉(zhuǎn)化氣管道與氫氣輸送管道連接，并在轉(zhuǎn)化氣管道上依次設(shè)置高壓氦氣再熱器、低壓水蒸汽發(fā)生器、中溫變換器、甲烷預(yù)熱器、給水除氧器、變壓吸附器;轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的氦氣進(jìn)口與核能發(fā)電系統(tǒng)氦氦換熱器的二次側(cè)氦氣出口連接;所述的高壓氦氣再熱器的轉(zhuǎn)化氣進(jìn)口與制氫系統(tǒng)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化氣出口連接;高壓氦氣再熱器的轉(zhuǎn)化氣出口與制氫系統(tǒng)低壓水蒸汽發(fā)生器的轉(zhuǎn)化氣進(jìn)口連接;高壓氦氣再熱器的氦氣進(jìn)口與制氫系統(tǒng)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的氦氣出口連接;高壓氦氣再熱器的氦氣出口與核能發(fā)電系統(tǒng)氦氣輪機(jī)的進(jìn)口連接;所述的甲烷輸送管道與制氫系統(tǒng)甲烷預(yù)熱器的殼程相連通，并與轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的原料進(jìn)口連接；所述的給水管道螺旋或曲折穿過(guò)核能發(fā)電系統(tǒng)冷卻器后與制氫系統(tǒng)給水除氧器的殼程相連通，并與低壓水蒸汽發(fā)生器的給水進(jìn)口連接;所述的低壓水蒸汽發(fā)生器的蒸汽出口通過(guò)水蒸汽管道與轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的原料進(jìn)口連接。
[0006]所述的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的氦氣出口溫度在350?400°C之間，轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化氣出口溫度在750?800°C之間；所述的高壓氦氣再熱器的氦氣出口溫度在550?650°C之間，高壓氦氣再熱器的轉(zhuǎn)化氣出口溫度在400?450°C之間。
[0007]本發(fā)明是一種高溫氣冷堆氦氣間接循環(huán)制氫耦合發(fā)電的方法，它包括以下過(guò)程:
I)核電一回路的氦氣從高溫氣冷堆進(jìn)行吸熱，通過(guò)氦氦換熱器的一次側(cè)向二次側(cè)進(jìn)行放熱。核電二回路的氦氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，進(jìn)入氦氦換熱器的二次側(cè)進(jìn)行吸熱，形成高溫高壓氦氣;高溫高壓氦氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的殼程進(jìn)行放熱，變成低溫高壓氦氣;低溫高壓氦氣進(jìn)入高壓氦氣再熱器吸收從轉(zhuǎn)化反應(yīng)器引出的高溫轉(zhuǎn)化氣的放熱量，溫度再次升高成為中高溫高壓氦氣；中高溫高壓氦氣進(jìn)入氦氣輪機(jī)做功發(fā)電，氦氣輪機(jī)排放的氦氣經(jīng)過(guò)冷卻器被給水冷卻后重新進(jìn)入壓縮機(jī)完成一個(gè)循環(huán)。
[0008]2)天然氣經(jīng)過(guò)甲烷預(yù)熱器被加熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化傳熱管內(nèi)；給水經(jīng)過(guò)核能發(fā)電系統(tǒng)的冷卻器被加熱為熱水，熱水進(jìn)入制氫系統(tǒng)的給水除氧器進(jìn)一步加熱除氧，然后除氧水進(jìn)入低壓水蒸汽發(fā)生器內(nèi)吸收轉(zhuǎn)化氣的熱量變成飽和水蒸汽，飽和水蒸汽與預(yù)熱天然氣一起進(jìn)入轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化傳熱管內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，生成主要成分為氫氣和一氧化碳的高溫轉(zhuǎn)化氣，高溫轉(zhuǎn)化氣先經(jīng)過(guò)高壓氦氣再熱器進(jìn)行放熱用于加熱氦氣，再進(jìn)入低壓水蒸汽發(fā)生器進(jìn)行放熱用于產(chǎn)生水蒸汽，然后轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入中溫變換器進(jìn)一步反應(yīng)，生成主要成分為氫氣和二氧化碳的混合氣，混合氣依次經(jīng)過(guò)甲烷預(yù)熱器和給水除氧器放出余熱，最后經(jīng)過(guò)變壓吸附器過(guò)濾掉二氧化碳后得到純凈氫氣。
[0009]采用上述方案后，本發(fā)明具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
I)實(shí)現(xiàn)氫電聯(lián)產(chǎn)。來(lái)自高溫氣冷堆的高溫高壓氦氣首先用于放熱制氫，然后再利用制氫的轉(zhuǎn)化氣余熱重新加熱氦氣使其滿足氦氣輪機(jī)的進(jìn)氣參數(shù)，最后進(jìn)入氦氣輪機(jī)做功發(fā)電。本發(fā)明提出了“放熱制氫一重?zé)崂迷偌訜嵋蛔龉Πl(fā)電”的新工藝，實(shí)現(xiàn)了同一股氦氣流先制氫、后發(fā)電的氫電聯(lián)合生產(chǎn)方式。
[0010]2)能量梯級(jí)利用。來(lái)自轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的高溫轉(zhuǎn)化氣首先將高品位熱能用于加熱氦氣，然后再將低品位熱能用于副產(chǎn)水蒸氣，符合按質(zhì)利用熱能的原則，達(dá)到“熱盡其用”的目的，提高了能量利用率，節(jié)約了能源。
[0011]3)熱效率高。本發(fā)明利用高溫轉(zhuǎn)化氣再加熱氦氣，這部分換熱量屬于重?zé)崂?；另外氦氣輪機(jī)的排氣余熱得到了回收利用并作為制氫系統(tǒng)的輸入熱，由此減少了大量的冷源損失，因此整個(gè)系統(tǒng)的熱效率非常高。
[0012]本發(fā)明與核能單純制氫模式相比較，其優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明在相同的制氫條件下實(shí)現(xiàn)了氫電聯(lián)產(chǎn)方式，可以得到額外多余的電能，勢(shì)必產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0013]本發(fā)明與核能單純發(fā)電模式相比較，其特點(diǎn)在于:本發(fā)明受限于氦氣輪機(jī)的進(jìn)口溫度較低，使得發(fā)電效率有所降低，發(fā)電成本相對(duì)較高，但是這點(diǎn)不足可以從所得氫氣產(chǎn)品的收益進(jìn)行補(bǔ)償，氫氣產(chǎn)品的價(jià)格越高，本發(fā)明所具有的優(yōu)勢(shì)就越發(fā)顯著。
[0014]綜上所述，本發(fā)明將核能閉式循環(huán)發(fā)電方式與天然氣水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫工藝結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了同一股氦氣流先制氫后發(fā)電的氫電聯(lián)產(chǎn)方式，具有能量梯級(jí)利用、熱效率高等特點(diǎn)，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]
一、裝置
本發(fā)明是一種高溫氣冷堆氦氣間接循環(huán)制氫耦合發(fā)電系統(tǒng)，它包括核能發(fā)電系統(tǒng)1、制氫系統(tǒng)2、高壓氦氣再熱器3、甲烷輸送管道4、給水管道5、水蒸汽管道6、氫氣輸送管道7。
[0017]所述的核能發(fā)電系統(tǒng)I由高溫氣冷堆11、壓縮機(jī)12、氦氦換熱器13、