[发明专利]高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统及其方法

说明书

技术领域

本发明属于核能应用技术领域，特别是涉及一种高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统及其方法。

背景技术

氢气作为重要的工业原料和最清洁能源，在国民经济各领域中被广泛地应用。当今我国工业的制氢方法主要是化石燃料制氢，其中以天然气水蒸汽转化制氢的应用最为普遍，并且成本最低，但该制氢工艺目前仍存在能耗较高的问题。目前制氢工艺从转化炉出来的转化气温度一般在750~800℃之间，该转化气进入低压水蒸汽发生器用于加热给水产生3.5Mpa、245℃的饱和水蒸汽，该环节转化气和给水的换热温差非常大，热量严重贬值利用，与此同时，副产蒸汽量属于低品位热能并且产量过多，远大于工艺本身所需的用汽量，由此涉及对外供热环节，又容易造成热量的浪费。若能采用先进的工艺技术以求合理有效地利用转化气余热的能量品位，将达到节能降耗的目的，进一步降低制氢的综合成本。传统的天然气水蒸汽转化制氢法中，天然气既作为反应物，又燃烧作为反应的热源，需要大量的天然气并产生大量的二氧化碳气体，这点上亟需寻求合适的替代热源。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，在国家相关政策下我国的核电事业已得到了蓬勃发展，若用核反应堆作为制氢工艺的热源时，制氢过程所需要的天然气量可以显著减少，并能够实现高效、大规模地制氢，同时减少温室气体的排放。要实现核能和制氢工艺的耦合，要求核反应堆的输出温度和制氢过程的最高温度必须相匹配，这点上只有氦气冷却的高温气冷堆可以提供足够高的温度来驱动制氢体系。高温气冷堆具有安全性好，热经济性好的特点，属于第四代先进核能系统技术之一。目前高温气冷堆较为成熟可靠的热力循环是氦气透平间接循环，该循环方式要求氦气轮机进口具有较高的压力和温度，从而达到一定的功率和循环效率，但是当高温气冷堆为制氢工艺提供工艺热后，从转化炉出来的氦气温度已处于较低的温度水平，大约在350～400℃之间，已无法满足氦气轮机的进气参数要求，因此高温气冷堆的同一股高温氦气只能单独用于制氢或单独进行氦气循环发电，这点上并没有真正实现核电站与制氢工艺的完全耦合。综合以上分析，若能寻求一种新的先进的核能热力循环，使得在同一循环内同时实现制氢和发电的目的，整个系统将具有很高的热经济性，并对未来核能制氢与发电联合生产技术的发展产生深远的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能量梯级利用、热效率高、可提供氢气和电力的高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统。

本发明的另一个目的在于提供一种将核电站发电系统与制氢系统相耦合，实现氢电联产的高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电的方法。

本发明的目的是通过下述的技术方案加以实现的：

本发明是一种高温气冷堆氦气间接循环制氢耦合发电系统，它包括核能发电系统、制氢系统、高压氦气再热器、甲烷输送管道、给水管道、水蒸汽管道、氢气输送管道。所述的核能发电系统由高温气冷堆、压缩机、氦氦换热器、氦气轮机、冷却器组成；所述的高温气冷堆与氦氦换热器的一次侧连接形成核电站一回路；所述的压缩机与氦氦换热器的二次侧、氦气轮机、冷却器连接构成核电站二回路部分；所述的氦氦换热器的二次侧氦气出口与制氢系统连接；所述的氦气轮机的进口与高压氦气再热器连接；所述的制氢系统由转化反应器、低压水蒸汽发生器、中温变换器、甲烷预热器、给水除氧器、变压吸附器、转化气管道组成；所述的转化反应器的原料进口与甲烷输送管道、水蒸汽管道相连接；转化反应器的转化气出口通过转化气管道与氢气输送管道连接，并在转化气管道上依次设置高压氦气再热器、低压水蒸汽发生器、中温变换器、甲烷预热器、给水除氧器、变压吸附器；转化反应器的氦气进口与核能发电系统氦氦换热器的二次侧氦气出口连接；所述的高压氦气再热器的转化气进口与制氢系统转化反应器的转化气出口连接；高压氦气再热器的转化气出口与制氢系统低压水蒸汽发生器的转化气进口连接；高压氦气再热器的氦气进口与制氢系统转化反应器的氦气出口连接；高压氦气再热器的氦气出口与核能发电系统氦气轮机的进口连接；所述的甲烷输送管道与制氢系统甲烷预热器的壳程相连通，并与转化反应器的原料进口连接；所述的给水管道螺旋或曲折穿过核能发电系统冷却器后与制氢系统给水除氧器的壳程相连通，并与低压水蒸汽发生器的给水进口连接；所述的低压水蒸汽发生器的蒸汽出口通过水蒸汽管道与转化反应器的原料进口连接。

所述的转化反应器的氦气出口温度在350～400℃之间，转化反应器的转化气出口温度在750～800℃之间；所述的高压氦气再热器的氦气出口温度在550～650℃之间，高压氦气再热器的转化气出口温度在400～450℃之间。