本發(fā)明無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)涉及一種新型大容量的高效節(jié)能、低碳、清潔能源系統(tǒng)。無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)的熱效率明顯高于現(xiàn)有技術(shù)的壓水堆蒸汽輪機的熱效率；就燃氣增發(fā)的電量而言，無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)的熱效率明顯高于現(xiàn)有技術(shù)的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)；無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)的熱效率也高于有汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。
(二)
背景技術(shù)：
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壓水堆(Pressurized Water Reactor)使用加壓輕水作冷卻劑和慢化劑，且水在堆內(nèi)不沸騰的核反應(yīng)堆。核燃料為低濃鈾。是世界公認的大型化技術(shù)成熟，運行安全、經(jīng)濟實用的核反應(yīng)堆型。AP1000可以作為第三代壓水堆核電站的代表性產(chǎn)品。
AP1000第三代核電站蒸汽發(fā)生器(Steam Generator)的主要參數(shù)：
AP1000 第三代核電站汽輪發(fā)電機的主要參數(shù)：
兩臺蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的飽和蒸汽由二回路主蒸汽系統(tǒng)送入汽輪機高壓缸，在汽輪機高壓缸膨脹做功后排汽進入2臺外置式汽水分離再熱器；在額定負荷條件下，外置式汽水分離再熱器把高壓汽輪機排汽中所含的10％-13％的濕度減小到大約0.17％或更??；外置式汽水分離再熱器設(shè)有2級再熱器，第1級采用高壓缸抽汽為熱源，第2級采用主蒸汽為熱源，將進入再熱器的蒸汽加熱到過熱狀態(tài)；蒸汽被加熱后通過6根管道進入3臺雙流的低壓汽輪機；部分蒸汽從高壓缸和低壓缸抽出用于對給水和凝結(jié)水進行回?zé)?。主凝汽器對凝結(jié)水進行除氧并將廢熱傳到循環(huán)水系統(tǒng)；給水由二回路主給水泵注入蒸汽發(fā)生器；汽輪機為6級給水回?zé)崽峁┏槠?；高壓缸的抽汽點為1號高壓加熱器提供抽汽，高壓缸排汽向除氧器提供抽汽，低壓缸的第3、4、5、6級抽汽點分別向第3、4、5、6號低壓加熱器提供抽汽，5號低壓加熱器和6號低壓加熱器通常布置在凝汽器的喉部。
我國(包括臺灣地區(qū))已投入商業(yè)運營的核電機組全部為壓水堆；從技術(shù)、安全、經(jīng)濟、環(huán)保和產(chǎn)業(yè)特點看，壓水堆核電機組不宜參加電網(wǎng)調(diào)峰，特別是頻繁地進行大幅度負荷調(diào)整。
根據(jù)工作時燃燒溫度的高低和機組功率大小，電站用重型燃氣輪機共分為A-B-C-D-E-F-G-H八個級別。燃氣輪機的進氣溫度越高，機組功率越大，級別越高，熱效率越高，通常燃氣輪機的排氣溫度也越高。
現(xiàn)有技術(shù)燃氣輪機通常與余熱鍋爐、蒸汽輪機組成燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)；該蒸汽輪機再熱或不再熱、無回?zé)岢槠?，具有中、低壓補汽進口；該蒸汽輪機配有必要的輔機，如凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、凝汽器、真空泵、冷卻塔、潤滑油系統(tǒng)、控制油系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)等；該余熱鍋爐通常設(shè)計成雙壓或者三壓，分別提供不同壓力的過熱蒸汽，每一壓力均有自己的省煤器、蒸發(fā)器、汽包、過熱器；通常燃氣輪機驅(qū)動的發(fā)電機所發(fā)電量約占燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的2/3強；蒸汽輪機驅(qū)動的發(fā)電機所發(fā)電量約占燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的1/3弱。
(三)
技術(shù)實現(xiàn)要素：
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所要解決的技術(shù)問題：
壓水堆的蒸汽發(fā)生器只能生產(chǎn)二回路使用的飽和蒸汽，沒有蒸汽過熱能力；外置式汽水分離再熱器的主要功能是把高壓汽輪機排汽中所含的10％-13％的濕度減小到大約0.17％或更小，為了取得低壓缸入口不到90K的過熱度，甚至動用了二回路主蒸汽作為外置式汽水分離再熱器的熱源；壓水堆蒸汽輪機的高壓缸基本上是一臺濕蒸汽汽輪機，各透平級的動葉片在濕蒸汽條件下工作，不利于動葉片長周期安全運行；低壓缸排汽濕度也頗高于燃煤超超臨界機組；高壓缸、低壓缸內(nèi)效率僅80％左右，其熱耗高達10405.7kJ/kWh(扣除電動泵功率)，熱效率僅34.6％(扣除電動泵功率)。
解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案：
本發(fā)明無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)采取與現(xiàn)有技術(shù)完全不同的技術(shù)路線，用重型燃氣輪機與壓水堆蒸汽輪機組成聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，利用燃氣輪機尾氣的熱量將二回路主蒸汽溫度由272.8℃向上提升，隨壓水堆產(chǎn)汽量的不同和重型燃氣輪機投入的臺數(shù)及負荷的不同，DCS分布式控制系統(tǒng)控制二回路主蒸汽溫度在535℃至630℃之間滑溫運行，此時，高壓缸排汽已有可觀的過熱度，取消汽水分離再熱器不僅簡化了熱力系統(tǒng)，而且減少汽水分離再熱器的壓力損失，提高熱效率；無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)的熱效率明顯高于現(xiàn)有技術(shù)的壓水堆蒸汽輪機的熱效率；就燃氣增發(fā)的電量而言，無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)的熱效率明顯高于現(xiàn)有技術(shù)的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)；無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)的熱效率也高于有汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。
本發(fā)明無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)包括蒸汽輪機高壓缸(1)、高壓缸排汽導(dǎo)汽配汽管(2)、蒸汽輪機低壓缸(3)、主汽調(diào)節(jié)閥(4)、凝汽器(5)、1號高壓加熱器(6)、二回路主給水泵(7)、除氧器(8)、3號低壓加熱器(9)、4號低壓加熱器(10)、5號低壓加熱器(11)、6號低壓加熱器(12)、凝結(jié)水泵(13)、余熱鍋爐過熱器(14)、余熱鍋爐高壓省煤器(15)、余熱鍋爐低壓省煤器(16)、蒸汽發(fā)生器(17)、壓水堆(18)、一回路主給水泵(19)、燃氣輪機(20)、DCS分布式控制系統(tǒng)；壓水堆(18)中核燃料棒產(chǎn)生的熱量經(jīng)循環(huán)的一回路壓力水在蒸汽發(fā)生器(17)中產(chǎn)生二回路飽和蒸汽；蒸汽發(fā)生器(17)的飽和蒸汽出口與余熱鍋爐過熱器(14)的蒸汽進口相連接；余熱鍋爐過熱器(14)的蒸汽出口經(jīng)主汽門、主汽調(diào)節(jié)閥(4)與蒸汽輪機高壓缸(1)的進口相連接；余熱鍋爐高壓省煤器(15)的水側(cè)與1號高壓加熱器(6)的水側(cè)并聯(lián)，以分流的方式加熱二回路主給水泵(7)出口的高壓給水；余熱鍋爐低壓省煤器(16)的水側(cè)與由3號低壓加熱器(9)、4號低壓加熱器(10)、5號低壓加熱器(11)、6號低壓加熱器(12)串聯(lián)組成的低壓加熱器組的水側(cè)并聯(lián)，以分流的方式加熱凝結(jié)水泵(13)出口的凝結(jié)水；燃氣輪機(20)的透平壓氣機進口經(jīng)空氣濾網(wǎng)組吸入空氣，壓縮后的空氣在燃氣輪機(20)的低氮燃燒系統(tǒng)內(nèi)與天然氣混合并充分燃燒，高溫高壓燃氣在燃氣輪機(20)的燃氣渦輪組中做功驅(qū)動燃氣輪機側(cè)的發(fā)電機；燃氣輪機(20)的燃氣渦輪組出口的燃機尾氣，經(jīng)煙道進入包括余熱鍋爐過熱器(14)、余熱鍋爐高壓省煤器(15)、余熱鍋爐低壓省煤器(16)的燃機余熱鍋爐的煙側(cè)入口；燃機余熱鍋爐的煙側(cè)出口與煙囪連接或者以煙塔合一的方式由冷卻塔排煙；重型燃氣輪機與壓水堆蒸汽輪機組成聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，利用燃氣輪機尾氣的熱量將二回路主蒸汽溫度由272.8℃向上提升；DCS分布式控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制壓水堆(18)、燃氣輪機(20)、蒸汽輪機高壓缸(1)、蒸汽輪機低壓缸(3)，隨壓水堆產(chǎn)汽量的不同和重型燃氣輪機投入的臺數(shù)及負荷的不同，控制二回路主蒸汽溫度在535℃至630℃之間滑溫運行。
發(fā)明的有益效果：
●壓水堆蒸汽輪機由濕蒸汽汽輪機轉(zhuǎn)變?yōu)橹髡羝麥囟仍?35℃至630℃之間滑溫運行的蒸汽輪機，大幅度提高了壓水堆蒸汽輪機主蒸汽的進口焓值，各透平級的內(nèi)效率也顯著提高，在相同進口質(zhì)量流量的條件下，大幅度提高了壓水堆蒸汽輪機的有效焓降，輸出軸功率大幅度增加；
●DCS分布式控制系統(tǒng)控制二回路主蒸汽溫度在535℃至630℃之間滑溫運行，高壓缸排汽已有可觀的過熱度，取消汽水分離再熱器不僅簡化了熱力系統(tǒng)，而且減少汽水分離再熱器的壓力損失，提高系統(tǒng)熱效率；
●蒸汽輪機高壓缸各透平級消除水蝕風(fēng)險，安全性明顯提高；
●蒸汽輪機低壓缸大部分透平級消除水蝕風(fēng)險，安全性明顯提高，末級葉片和末前級葉片濕度顯著減小，安全性、經(jīng)濟性明顯提高；
●由于末級葉片和末前級葉片濕度顯著減小，安全性可控，提供了進一步降低低壓缸排汽背壓，提高燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的熱效率的空間；
●余熱鍋爐高壓省煤器(15)和余熱鍋爐低壓省煤器(16)的設(shè)置使余熱鍋爐過熱器(14)出口的煙氣余熱得到充分的利用，排煙溫度可以降到45℃或者更低，排擠出來的1段抽汽、3段抽汽、4段抽汽、5段抽汽、6段抽汽可以在蒸汽輪機低壓缸(3)內(nèi)繼續(xù)做功，轉(zhuǎn)換為有用的軸功率；
●依托本發(fā)明無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)可以設(shè)計、制造單軸出力2000MW或更高出力的半轉(zhuǎn)速(1800rpm或者1500rpm)巨型蒸汽輪機；
●依托本發(fā)明無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)可以設(shè)計、制造單臺容量2200MVA或更高容量的半轉(zhuǎn)速(1800rpm或者1500rpm)汽輪發(fā)電機；
●依托本發(fā)明無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)可以設(shè)計、制造大、中型空冷發(fā)電機組，適用于內(nèi)陸缺水地區(qū)；
●本發(fā)明無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)的建造成本明顯低于同容量的獨立的壓水堆核電機組加獨立的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組；
●本發(fā)明無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)的占地面積明顯少于同容量的獨立的壓水堆核電機組加獨立的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組；
●本發(fā)明無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)的碳排放量明顯少于同容量的獨立的壓水堆核電機組加獨立的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組；
●本發(fā)明無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)的單位裝機容量耗水量明顯少于同容量的獨立的壓水堆核電機組加獨立的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組；
●本發(fā)明無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)的供電量明顯大于相同核燃料耗量的獨立壓水堆核電機組加相同天然氣耗量的獨立燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組；
●如將壓水堆蒸汽輪機由于大幅度提高主蒸汽的進口焓值，高壓缸排汽壓力與低壓缸進汽壓力差顯著減少，各透平級的內(nèi)效率顯著提高而增發(fā)的電量全部歸算到燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，這種沒有獨立汽輪機系統(tǒng)的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的凈熱效率可高達創(chuàng)記錄的68％或更高；
●如將余熱鍋爐過熱器(14)、余熱鍋爐高壓省煤器(15)、余熱鍋爐低壓省煤器(16)吸收的熱量全部歸算為余熱鍋爐的有效吸熱量，這種沒有蒸發(fā)器和汽包的余熱鍋爐的熱效率(按低位發(fā)熱量計算)可高達創(chuàng)記錄的100％或更高；
(四)附圖說明：
圖1為無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)圖。
在圖1中：
1 蒸汽輪機高壓缸、 2 高壓缸排汽導(dǎo)汽配汽管、
3 蒸汽輪機低壓缸、 4 主汽調(diào)節(jié)閥、
5 凝汽器、 6 1號高壓加熱器、
7 二回路主給水泵、 8 除氧器、
9 3號低壓加熱器、 10 4號低壓加熱器、
11 5號低壓加熱器、 12 6號低壓加熱器、
13 凝結(jié)水泵、 14 余熱鍋爐過熱器、
15 余熱鍋爐高壓省煤器、 16 余熱鍋爐低壓省煤器、
17 蒸汽發(fā)生器、 18 壓水堆、
19 一回路主給水泵、 20 燃氣輪機、
(五)具體實施方式：
實施例1：
現(xiàn)結(jié)合圖1以一臺AP1000的壓水堆、蒸汽發(fā)生器，重新設(shè)計的蒸汽輪機發(fā)電機組與6臺F級燃氣輪機和配套的余熱鍋爐為例說明實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選方式。
本發(fā)明無汽水分離再熱器的燃氣輪機壓水堆蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)包括蒸汽輪機高壓缸(1)、高壓缸排汽導(dǎo)汽配汽管(2)、蒸汽輪機低壓缸(3)、主汽調(diào)節(jié)閥(4)、凝汽器(5)、1號高壓加熱器(6)、二回路主給水泵(7)、除氧器(8)、3號低壓加熱器(9)、4號低壓加熱器(10)、5號低壓加熱器(11)、6號低壓加熱器(12)、凝結(jié)水泵(13)、余熱鍋爐過熱器(14)、余熱鍋爐高壓省煤器(15)、余熱鍋爐低壓省煤器(16)、蒸汽發(fā)生器(17)、壓水堆(18)、一回路主給水泵(19)、燃氣輪機(20)、DCS分布式控制系統(tǒng)；壓水堆(18)中核燃料棒產(chǎn)生的熱量經(jīng)循環(huán)的一回路壓力水在蒸汽發(fā)生器(17)中產(chǎn)生二回路飽和蒸汽；蒸汽發(fā)生器(17)的飽和蒸汽出口與余熱鍋爐過熱器(14)的蒸汽進口相連接；余熱鍋爐過熱器(14)的蒸汽出口經(jīng)主汽門、主汽調(diào)節(jié)閥(4)與蒸汽輪機高壓缸(1)的進口相連接；余熱鍋爐高壓省煤器(15)的水側(cè)與1號高壓加熱器(6)的水側(cè)并聯(lián)，以分流的方式加熱二回路主給水泵(7)出口的高壓給水；余熱鍋爐低壓省煤器(16)的水側(cè)與由3號低壓加熱器(9)、4號低壓加熱器(10)、5號低壓加熱器(11)、6號低壓加熱器(12)串聯(lián)組成的低壓加熱器組的水側(cè)并聯(lián)，以分流的方式加熱凝結(jié)水泵(13)出口的凝結(jié)水；燃氣輪機(20)的透平壓氣機進口經(jīng)空氣濾網(wǎng)組吸入空氣，壓縮后的空氣在燃氣輪機(20)的低氮燃燒系統(tǒng)內(nèi)與天然氣混合并充分燃燒，高溫高壓燃氣在燃氣輪機(20)的燃氣渦輪組中做功驅(qū)動燃氣輪機側(cè)的發(fā)電機；燃氣輪機(20)的燃氣渦輪組出口的燃機尾氣，經(jīng)煙道進入包括余熱鍋爐過熱器(14)、余熱鍋爐高壓省煤器(15)、余熱鍋爐低壓省煤器(16)的燃機余熱鍋爐的煙側(cè)入口；燃機余熱鍋爐的煙側(cè)出口與煙囪連接或者以煙塔合一的方式由冷卻塔排煙；重型燃氣輪機與壓水堆蒸汽輪機組成聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，利用燃氣輪機尾氣的熱量將二回路主蒸汽溫度由272.8℃向上提升；DCS分布式控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制壓水堆(18)、燃氣輪機(20)、蒸汽輪機高壓缸(1)、蒸汽輪機低壓缸(3)，隨壓水堆產(chǎn)汽量的不同和重型燃氣輪機投入的臺數(shù)及負荷的不同，控制二回路主蒸汽溫度在535℃至630℃之間滑溫運行。
蒸汽輪機高壓缸(1)雙流、切向進汽，1500rpm或者1800rpm，其通流能力按最高進汽溫度和最高質(zhì)量流量同時達到進行設(shè)計；蒸汽輪機高壓缸(1)的轉(zhuǎn)子、高溫進汽室、噴嘴、動葉使用的材料滿足最高進汽溫度下連續(xù)運行的要求；蒸汽輪機高壓缸(1)的轉(zhuǎn)子、噴嘴、動葉的強度滿足最高進汽溫度和最高質(zhì)量流量同時達到時對材料的要求，并有足夠的安全裕量。
蒸汽輪機低壓缸(3)按工作背壓不同由3臺或者4臺同軸的雙流、切向進汽的低壓缸組成；1500rpm或者1800rpm；蒸汽輪機低壓缸(3)的進汽溫度和最大通流能力按進汽溫度343.5℃設(shè)計。
燃氣輪機(20)由6臺F級燃氣輪機組成；6臺F級燃氣輪機別驅(qū)動各自的發(fā)電機；6臺F級燃氣輪機的燃氣渦輪組出口的燃機尾氣排入同一臺余熱鍋爐；燃氣輪機(20)另一優(yōu)選方式由3臺H級燃氣輪機組成；燃氣輪機(20)另一優(yōu)選方式由4臺G級燃氣輪機組成。
高壓缸排汽導(dǎo)汽配汽管(2)的進口端連接蒸汽輪機高壓缸(1)的排汽口，出口端連接3臺或者4臺雙流低壓缸的進汽口，高壓缸排汽導(dǎo)汽配汽管(2)滿負荷壓損不超過10kPa。
燃機余熱鍋爐包括余熱鍋爐過熱器(14)、余熱鍋爐高壓省煤器(15)、余熱鍋爐低壓省煤器(16)；臥式布置；余熱鍋爐過熱器(14)由高溫、中溫、低溫3段過熱器受熱面組成，與煙氣流程呈逆流布置；余熱鍋爐高壓省煤器系統(tǒng)配置有相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥門組，用于調(diào)節(jié)余熱鍋爐高壓省煤器(15)的水側(cè)與1號高壓加熱器(6)的水側(cè)的流量分配；余熱鍋爐低壓省煤器系統(tǒng)配置有相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥門組，用于調(diào)節(jié)余熱鍋爐低壓省煤器(16)的水側(cè)與由3號低壓加熱器(9)、4號低壓加熱器(10)、5號低壓加熱器(11)、6號低壓加熱器(12)串聯(lián)組成的低壓加熱器組的水側(cè)的流量分配。