高温气冷堆核电站电-热-氢三联产系统的集成优化与能效提升研究

针对北极和远东地区能源短缺制约矿产开发的难题，俄罗斯国立研究大学莫斯科动力工程学院团队创新性地开发了基于高温气冷堆(HTGR)的核电站三联产系统。研究通过建立燃气轮机、蒸汽轮机和蒸汽甲烷重整(SMR)单元的数学模型，实现燃料利用率提升31.7%至78.1%，电/热/氢调节范围分别达32.3-80MW/0-70.4MW/0-4.4kg/s，标准化发电成本降低1.14美元/MWh，为分布式能源提供了高效解决方案。

　　

【研究背景】
在全球能源转型与极地开发的背景下，北极和远东地区丰富的矿产资源因能源基础设施匮乏而难以开发。传统能源运输成本高昂，而小型核电站(SMR)虽具有体积小、燃料补给周期长的优势，却面临能效低(47%)和发电成本高的瓶颈。高温气冷堆(HTGR)因其950°C的出口温度成为破局关键——日本HTTR和美国MHR-T项目已证实其制氢潜力，但现有技术存在CO₂排放高、能量综合利用不足等缺陷。

【研究机构与方法】
莫斯科动力工程学院团队在俄罗斯科学基金会(23-79-10235)支持下，采用Aspen PLUS软件构建了包含三个核心模块的数学模型：1) 7.5MPa氦气循环的燃气轮机单元；2) 二级再热蒸汽轮机系统；3) 创新型氧燃料蒸汽甲烷重整(SMR)装置。通过热力学平衡计算和参数敏感性分析，对比了单独发电与电-热-氢三联产模式的性能差异。

【研究结果】

1. 三联产系统热力性能
   集成方案使燃料利用率从47.0%跃升至78.1%，其中SMR单元利用反应堆余热将天然气消耗降低40%，同时氧燃烧技术使CO₂排放减少14.5倍。

2. 多产品调节特性
   系统展现出色灵活性：电力输出可在32.3-80MW间调节，供热负荷0-70.4MW，氢产量0-4.4kg/s。当满负荷产氢时，蒸汽轮机抽汽量达30kg/s，此时净功率31.4MW。

3. 经济性突破
   相比分立式生产，三联产使标准化发电成本降低1.14美元/MWh，主要得益于：① SMR单元减少53.1kW厂用电消耗；② 热网水通过三级加热器从20°C升温至150°C，实现低位热量的梯级利用。

【结论与意义】
该研究首次实现了HTGR与氧燃料SMR的深度集成，突破性地将核能综合利用效率提升至78.1%。其开发的调节策略为极地矿区提供了全天候能源解决方案，而1.14美元/MWh的成本优势显著增强了SMR商业竞争力。这项成果不仅为俄罗斯北极战略提供技术支撑，更开创了核能制氢降碳的新路径，对全球氢经济布局具有里程碑意义。