核能热电供热系统

技术领域

本发明涉及核电领域，更具体地说，涉及一种核能热电供热系统。

背景技术

国内核电行业广泛地采用单元制堆机配置，即反应堆和汽轮机之间是一对一的关系并构成一个机组，随着国内外核能开发，核反应堆用于各类应用场景热电联供的需求日益突出，除了纯发电应用之外，核反应堆还可以同时供蒸汽用于工业供热、居民供暖、制冷、海水淡化等等拓展应用，不同的应用场景，负荷种类和大小不一样，同一个反应堆或几个反应堆，可以同时供蒸汽用于汽轮机发电和供蒸汽用于工业供热、居民供暖、制冷、海水淡化等等。

汽轮机可以单机，也可以多机(两机或两机以上)，供蒸汽可以是一种压力供蒸汽，也可以分几种压力同时供蒸汽，可以用新蒸汽供热，也可以用汽轮机抽汽供热，所以在热电联供的情况下，很少能够做到反应堆和负荷数量一一对等，而是存在着多个反应堆或一个反应堆同时供蒸汽用于带负荷的情况，所带负荷的种类包括纯发电汽轮机、抽汽供热式汽轮机、换热器等等，反应堆所带的负荷种类可以是这些负荷种类之一或部分或全部组合而成，反应堆所带负荷数量可以是一个，也可以是多个。

为便于叙述，我们把反应堆和汽轮机、供热器之间组合的情况统称为多堆多机多热情况。在多堆多机多热情况下，如何实现堆机热相互协调控制，这是采用核电行业内单元制机组堆机协调控制技术无法解决的。

在核能行业，除了单元制核电机组外，已经实现投产且部分符合多堆多机多热特点的目前只有高温气冷堆，该堆型采用了两堆带一机用于发电，解决了两个核反应堆带一个汽轮机的情况下，因共用给水母管和蒸汽母管而产生的协调控制问题。高温气冷堆两堆一机只是多堆多机多热的一个很特殊的场景，不具备通用性，解决不了多堆多机多热各种应用场景的连接问题和堆机热协调控制问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种改进的核能热电供热系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种核能热电供热系统，包括：

至少一个核能供热装置，所述核能供热装置包括至少一个蒸汽供应系统，所述蒸汽供应系统设有蒸汽出口和进水口；

蒸汽分配装置，连接所述蒸汽出口和负荷，让蒸汽进入所述负荷；

给水分配装置，连接所述负荷和进水口，让所述负荷内冷却的供热介质经所述给水分配装置到所述蒸汽供应系统；以及

控制系统，采集所述核能供热装置、蒸汽分配装置和所述负荷中的负荷水平信号，并根据采集的负荷水平信号调节所述核能供热装置、蒸汽分配装置、负荷水平。

在一些实施例中，所述蒸汽供应系统包括反应堆，所述反应堆内设有至少两个蒸发器，每一所述蒸发器分别设置有所述蒸汽出口和进水口。

在一些实施例中，所述蒸汽供应系统还包括蒸汽联箱，各所述蒸发器的蒸汽出口分别连接至所述蒸汽联箱，所述蒸汽联箱通过至少一根连通管连接至所述蒸汽分配装置。

在一些实施例中，每一所述蒸发器的蒸汽出口与所述蒸汽分配装置之间连接有蒸汽管，所述蒸汽联箱位于所述蒸汽出口和蒸汽分配装置之间，并连通各所述蒸汽管。

在一些实施例中，所述蒸汽供应系统还包括给水联箱，所述给水联箱分别连接至各所述蒸发器的进水口，以及所述给水分配装置。

在一些实施例中，所述给水分配装置和所述给水联箱之间还设有给水泵。

在一些实施例中，所述核能供热装置还包括与所述控制系统通信连接的堆控模块，以接收所述控制系统的调节信号进行反应堆功率水平调节，并实时采集所述蒸汽供应系统内回路中的给水流量信息，并根据给水流量变化，控制所述给水分配装置流向所述反应堆的流量。

在一些实施例中，所述蒸汽分配装置包括蒸汽分配母管，所述蒸汽分配母管分别连接至负荷，所述给水分配装置包括给水母管，所述给水母管连接至所述反应堆。

在一些实施例中，所述负荷包括负荷单元和控制单元，所述负荷单元分别连接至所述蒸汽分配装置、所述给水分配装置；

所述控制单元与所述控制系统通信连接，以接收所述控制系统的调节信号，对所述负荷单元的负荷水平进行调节，并实时采集所述负荷单元的负荷水平信息，并根据负荷水平的变化，控制所述负荷单元的负荷水平。

在一些实施例中，每一所述负荷单元包括汽轮机、凝汽器、换热器、凝给水系统中的至少一种。

实施本发明的核能热电供热系统，具有以下有益效果：本发明能够实现反应堆侧和机热负荷侧完全解耦控制，这为在不调堆情况下实现负荷之间的相互调节创造了条件，也为尽可能少调堆而多调负荷实现灵活运行组合创造了条件，还为在不调堆情况下优化各个负荷的负荷水平组合，从而实现运行经济最优化创造了条件。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中的核能热电供热系统的结构原理示意图；

图2是图1中核能供热装置的结构原理示意图；

图3是图1中核能供热装置通过连通管与蒸汽分配装置连接的示意图；

图4是图1中核能供热装置的蒸汽出口通过蒸汽管与蒸汽分配装置连接的示意图；

图5是图1中核能供热装置取消蒸汽联管后蒸汽出口与蒸汽分配装置连接的示意图；

图6是四个负荷的连接示意图；

图7至图10分别是图6中由上至下排布的四个负荷的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1至图3所示，本发明一个优选实施例中的核能热电供热系统包括核能供热装置10、蒸汽分配装置20、给水分配装置30、以及控制系统40，核能供热装置10的数量为两个，也可为一个或两个以上的数量。

每一核能供热装置10包括一个蒸汽供应系统11和堆控模块12，蒸汽供应系统11包括反应堆111、蒸汽联箱112、给水联箱113、给水泵114，进一步地，反应堆111内设有两个蒸发器1111，每一蒸发器1111分别设置有蒸汽出口A和进水口B，蒸汽出口A经蒸汽联箱112连接至蒸汽分配装置20，将蒸汽分配至负荷50，在负荷50内冷却后变成液态，流到给水分配装置30。

给水联箱113分别连接至各蒸发器1111的进水口B、以及给水分配装置30，给水分配装置30和给水联箱113之间还设有给水泵114，给水泵114将给水分配装置30的液态供热介质抽到给水联箱113，给水联箱113连接至进水口B，经进水口B输送到反应堆111的蒸发器1111，蒸发器1111对流进的液态供热介质加热，变成蒸汽后从蒸汽出口A流出，如此循环。

堆控模块12与控制系统40通信连接，以接收控制系统40的调节信号进行反应堆功率水平调节，并实时采集蒸汽供应系统11内回路中的给水流量信息，并根据给水流量变化，控制给水分配装置30流向反应堆111的流量。

在一些实施例中，各蒸发器1111的蒸汽出口A分别连接至蒸汽联箱112，蒸汽联箱112通过连通管115连接至蒸汽分配装置20，蒸汽联箱112和蒸汽分配装置20之间的连通管115数量可以为一根，也可为多根。

进一步地，如图4所示，在其他实施例中，每一蒸发器1111的蒸汽出口A与蒸汽分配装置20之间还可以连接有蒸汽管116，蒸汽联箱112位于蒸汽出口A和蒸汽分配装置20之间，并连通各蒸汽管116，可以让蒸汽在流向蒸汽分配装置20过程中，还可以在蒸汽联箱112内流通混合并通过。可以理解地，如图5所示，也可将蒸汽联箱112取消，让蒸汽出口A直接连接至蒸汽分配装置20。蒸汽分配装置20与负荷50之间通过管道连接，管道在蒸汽分配装置20上的位置不做限定。

结合图6至图10所示，在一些实施例中，负荷50包括负荷单元51和控制单元52，负荷单元51分别连接至蒸汽分配装置20、给水分配装置30，让蒸汽进入负荷单元51冷却后，变成液态，流到给水分配装置30。进一步地，控制单元52与控制系统40通信连接，以接收控制系统40的调节信号，对负荷单元51进行负荷水平调节，并实时采集负荷单元51内负荷水平信息，并根据负荷水平变化，控制负荷单元51的负荷水平。当然，部分负荷50也可没有控制单元52，可以依靠其他的负荷50的控制单元52进行控制。

在一些实施例中，负荷单元51包括汽轮机511、凝汽器512、换热器513、凝给水系统514，每一负荷单元51包括汽轮机511、凝汽器512、换热器513、凝给水系统514中的至少一种，在本实施例中，各负荷单元51可以由以上组合，如图6至图10所示，依次为图5中由上至下排布的四个负荷单元51。进一步地，每一负荷单元51包括至少一个蒸汽入口，凝给水系统514中设有除氧器。

蒸汽分配装置20包括蒸汽分配母管，蒸汽分配母管分别连接至负荷50，给水分配装置30包括给水母管，给水母管连接至反应堆111。通常，液态供热介质流进给水分配装置30后，在给水泵114的作用下，将液态供热介质输送至给水联箱113，再输送至反应堆111内。

堆控模块12连接到反应堆111内部的堆功率控制棒调节系统改变反应堆111输出热功率，即因此引起蒸发器1111输出参数的变化，这是反应堆111执行功率调节指令的路径。堆控模块12接受来自控制系统40的反应堆111功率调节屏蔽指令，并将屏蔽指令传递到反应堆111内部的堆功率控制棒调节系统，使其保持当前运行状态不动作，这是反应堆111执行屏蔽指令的路径。

在蒸发器1111输出蒸汽参数改变的情况下，蒸汽出口A和进水口B的流量信号送到堆控模块12中自动进行差值计算，并根据差值程序计算结果，堆控系统再向给水泵114发出流量调节指令，这是给水泵114调节流量保持蒸发器1111流量平衡的路径。

在蒸发器1111输出蒸汽参数改变的情况下，监测到蒸汽联箱112压力发生变化并将压力信号输送到堆控模块12与设定压力进行对比，经过程序计算输出调节信号，控制进水口B的流量，这是调节给水调节阀保持蒸发器1111出口压力稳定的路径。

在反应堆111功率控制棒动作调整的情况下，反应堆111的堆功率测量系统根据中子通量测量即时堆功率，并向堆控模块12输出反应堆111即时堆功率水平，这是反应堆111即时堆功率的反馈路径。

在蒸发器1111输出蒸汽参数改变的情况下，进水口B的流量信号传输到堆控系统，这个流量信号代表二回路即时总负荷水平，将与反应堆111即时堆功率信号进行比对，差值超过控制要求的范围，允许反应堆111执行堆功率调节指令路径，否则，停止执行反应堆111堆功率调节指令路径。这是反馈即时总负荷水平路径。

进水口B的调节阀的阀位信号传送到堆控模块12中用于程序控制，这是给水调节阀阀位反馈路径。

给水泵114的运转状态信号(包括转速信号)传送到堆控模块12中用于程序控制，这是给水泵114运转状态反馈路径。

在图7中，控制单元52接受来自控制系统40的控制信号，并向汽轮机的进汽调节阀发出动作指令进行调节。汽轮机的进汽调节阀的阀位信息反馈到控制单元52，控制单元52再将汽轮机的整体控制状态信号反馈到控制系统40。控制单元52接受来自控制系统40的负荷50调节屏蔽指令，使负荷单元51保持当前负荷水平和运行状态不动作，

在图8中，对负荷单元51，凝结水进入到凝汽器512汽侧中，这是负荷单元51接受图9中负荷单元51凝结水的路径。

负荷50控制器接受控制信号，并向汽轮机的进汽调节阀发出调节动作指令，向图9中负荷单元51的发出调节动作指令，这是图8中负荷单元51接受调节信号路径。

汽轮机进汽调节阀的阀位信息反馈到控制单元52，传递过来的图9中负荷单元51的反馈信号传送到控制单元52。控制单元52接受来自控制系统40的负荷50调节屏蔽指令，使负荷单元51和图9中负荷单元51保持当前负荷水平和运行状态不动作。

在图9中，对负荷单元51，供热蒸汽经过供热换热器513后排出到给水分配装置30，进汽调节阀接受来自图8中负荷单元51的控制单元52的调节动作指令，进汽调节阀的阀位状态信号发送到图8中负荷单元51的控制单元52。

在图10中，对负荷单元51，供热蒸汽经过供热换热器513后排出到给水分配装置30，控制单元52接受来自控制系统40的调节动作指令，向供热换热器513的进汽调节阀发出调节动作指令进行调节，进汽调节阀的阀位状态信号发送到控制单元52，控制单元52再将整体控制状态信息发送到控制系统40。控制单元52接受来自控制系统40的负荷50调节屏蔽指令，使负荷单元51保持当前负荷水平和运行状态不动作。

控制系统40接受来自蒸汽分配装置20上压力计的压力信号，接受来自负荷50的反馈信号，接受来自核能供热装置10的反馈信号，这是压力控制器接收信号反馈路径。

控制系统40经过程序控制，输出负荷50调节指令和负荷单元51屏蔽指令，向核能供热装置10输出核堆功率调节指令和堆控屏蔽指令，这是压力控制器控制输出控制信号路径。

核能热电供热系统的基本操控方法有：

1、“负荷-母管-负荷”控制模式

这是负荷自洽调节模式。

在某一负荷单元51发生小幅度变化，将引起蒸汽分配母管压力发生小幅度变化，控制系统40将接收到蒸汽分配装置20的压力变化信号、各核堆即时功率水平信号、总负荷水平信号、各负荷单元51负荷水平信号。

控制系统40经过对这些信号程序解析后，确定采用“负荷-母管-负荷”控制模式输出调节信号和屏蔽信号，控制系统40向需要优先调节的负荷单元51发出负荷水平调节信号并向其他负荷单元51发出屏蔽信号，在调节过程中，控制系统40接收到母管压力变化反馈信号、各核堆即时功率水平反馈信号、总负荷水平反馈信号、各负荷单元51负荷水平反馈信号。

反复调节直到收敛完成调节过程。

上面调节过程中，控制系统40在输出负荷水平调节指令之前，需根据程序设定规则优先选定需要调节的负荷单元51。在整个调节过程种，为尽快实现调节过程的稳定，程序优先按照一次调节过程选择一个负荷单元51响应调节。在调节控制发散风险小的情况下，也可以多个负荷单元51同时响应调节，可由操作员设定控制。

2、“核堆-母管-负荷”控制模式

这是核堆功率跟随负荷水平的调节模式。

在某一负荷单元51发生较大幅度变化，将引起蒸汽分配母管压力发生较大幅度变化，控制系统40将接收到母管压力变化信号、各核堆即时功率水平信号、总负荷水平信号、各负荷单元51负荷水平信号。

控制系统40经过程序解析后，确定采用“核堆-母管-负荷”控制模式输出调节信号和屏蔽信号，控制系统40向需要优先调节的核堆堆控系统发出功率水平调节信号并向其他核堆堆控系统发出屏蔽信号，开始调节过程，控制系统40接收到母管压力变化反馈信号、各核堆即时功率水平反馈信号、总负荷水平反馈信号、各负荷单元51负荷水平反馈信号。

反复调节直到收敛完成调节过程。

上面调节过程中，控制系统40在输出核堆功率水平调节指令之前，需根据程序设定规则优先选定需要调节的核能供热装置10。整个调节过程为尽快实现调节过程的稳定，程序优先选择一个核能供热装置10响应调节。在调节控制发散风险小的情况下，也可以多个核能供热装置10同时响应调节，可由操作员设定控制。

在负荷调节的情况下，通过控制系统40的控制程序处理，优先通过“核堆-母管-负荷”控制模式实现对快速大幅度母管压力波动的快速响应，在基本稳定后，还存在蒸汽分配母管压力大滞后小幅度波动，对此，通过“负荷-母管-负荷”控制模式响应蒸汽分配母管压力的小幅波动，通过调节负荷单元51负荷水平减缓甚至消除负荷50快速变化造成的蒸汽分配母管压力大滞后小幅波动的影响。

3、“核堆-母管-核堆”控制模式

这是核堆互调调节模式。

在极特殊运行情况下，会出现需要在维持负荷水平不变的情况下，对两个核能供热装置10功率水平进行调节。

在这种情况下，操作员手动改变某一个核能供热装置10的功率水平，将引起蒸汽分配母管压力发生变化，控制系统40将接收到母管压力变化信号、各核堆即时功率水平信号、总负荷水平信号、各负荷单元51负荷水平信号。

控制系统40经过程序解析，确定采用“核堆-母管-核堆”控制模式输出调节信号和屏蔽信号，控制系统40向其他需要调节的核堆堆控系统发出功率水平调节信号并向其他核能供热装置10发出屏蔽信号。开始调节过程，控制系统40接收到母管压力变化反馈信号、各核堆即时功率水平反馈信号、负荷50总单元负荷水平反馈信号、各负荷单元51负荷水平反馈信号。

反复调节直到收敛完成调节过程。

上面调节过程中，控制系统40在输出核堆功率水平调节指令之前，需根据程序设定规则优先选定需要调节的核能供热装置10。整个调节过程为尽快实现调节过程的稳定，程序优先选择一个核能供热装置10响应调节。在调节控制发散风险小的情况下，也可以多个核能供热装置10同时响应调节，可由操作员设定控制。

4、“负荷-母管-核堆”控制模式

这是负荷水平跟随核堆功率的调节方式。

在这种情况下，通过操作员手动操作或者堆控系统保护动作，将改变某一个核能供热装置10的功率水平，将引起蒸汽分配母管压力发生变化，控制系统40将接收到母管压力变化信号、各核堆即时功率水平信号、负荷50总单元负荷水平信号、各负荷单元51负荷水平信号。

控制系统40经过程序解析，确定采用“负荷-母管-核堆”控制模式输出调节信号和屏蔽信号，控制系统40向优先调节的负荷单元51发出负荷水平调节信号并向其他负荷单元51发出屏蔽信号，开始调节过程，控制系统40接收到母管压力变化反馈信号、各核堆即时功率水平反馈信号、总负荷水平反馈信号、各负荷单元51负荷水平反馈信号。

反复调节直到收敛完成调节过程。

上面调节过程中，控制系统40在发出负荷水平调节指令之前，需根据程序设定规则优先选定需要调节的负荷单元51。整个调节过程为尽快实现调节过程的稳定，程序优先选择一个负荷单元51响应调节。在调节控制发散风险小的情况下，也可以多个负荷单元51同时响应调节，可由操作员设定控制。

5、跳负荷模式

跳负荷模式下，各负荷单元51的旁路排放系统需要参与进行蒸汽分配母管压力的调节，其他同“核堆-母管-负荷”控制模式。

6、跳堆模式

跳核堆模式下，需要控制系统40通过程序计算确定甩负荷的负荷50的负荷单元51及甩负荷水平的总量，其他同“负荷-母管-核堆”控制模式。

本发明能够实现反应堆侧和机热负荷侧完全解耦控制，这为在不调堆情况下实现负荷之间的相互调节创造了条件，也为尽可能少调堆而多调负荷实现灵活运行组合创造了条件，还为在不调堆情况下优化各个负荷的负荷水平组合，从而实现运行经济最优化创造了条件。

本发明在母管压力因负荷变化后导致主蒸汽压力残余大滞后调节波动的情况下，能够通过机热负荷侧配合反应堆进行调节有利于减缓压力波动。

本发明各个反应堆的堆控模块能够通过程序即时运算输出的优先顺序，有序快速响应机热总负荷的变化，和有序响应瞬态变化，避免了各个反应堆之间“抢负荷”的问题，解决了各个反应堆回路响应特性不一样造成的控制发散问题。

本发明提出了多堆多机多热情况下的通用连接方式，以及如何基于这些连接方式实现堆机热协调控制的技术方案，堆机热协调控制方案能够为实现工程设计提供清晰的底层逻辑和变通基础。

本发明提出了不调堆情况下能够实现反应堆侧和机热负荷侧完全解耦控制，这为在不调堆情况下实现负荷之间的相互调节创造了条件，也为尽可能少调堆而多调负荷实现灵活运行组合创造了条件，还为在不调堆情况下优化各个负荷的负荷水平组合从而实现运行经济最优化创造了条件。

可以理解地，上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。