核電機(jī)組廢熱回收用于供熱的發(fā)電功率分析

武心壯，黃曉杰，夏 栓

（1.上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233；2.國核示范電站有限責(zé)任公司，山東 威海 264312）

0 引言

2012 年10 月，國務(wù)院常務(wù)會議決定，穩(wěn)妥恢復(fù)核電正常建設(shè)，合理把握建設(shè)節(jié)奏，穩(wěn)步有序推進(jìn)；按照全球最高安全要求新建核電項目，新建核電機(jī)組必須符合三代安全標(biāo)準(zhǔn)［1］?！侗狈降貐^(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017—2021 年）》明確提出，“加強(qiáng)清潔供暖科技創(chuàng)新，研究探索核能供熱，推動現(xiàn)役核電機(jī)組向周邊供熱，安全發(fā)展低溫泳池堆供暖示范?！睂嶋H上，核能供暖作為一項低碳清潔、安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好的城市規(guī)模化供暖技術(shù)，可有效替代部分燃煤鍋爐，為地方提供穩(wěn)定、清潔熱源，保障民生工程。2019 年底，山東核電一期工程在國內(nèi)率先實現(xiàn)了核能供熱，對國內(nèi)商用核電站供熱地進(jìn)一步發(fā)展具有重要的推動作用，被國家能源局命名為“國家能源核能供熱商用示范工程”。

習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話，指出“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和?！崩羁藦?qiáng)總理在十三屆人大四次會議上的《政府工作報告》中關(guān)于2021 年重點工作里提出“在確保安全的前提下積極有序發(fā)展核電?！焙穗姳灰曌魑磥怼疤贾泻汀钡挠辛Y源之一?！笆奈濉币?guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中，明確提到“開展山東海陽等核能綜合利用示范”。核能供熱將成為國內(nèi)學(xué)者未來研究的重要課題。

國內(nèi)學(xué)者對火電機(jī)組抽汽供熱技術(shù)進(jìn)行了大量的研究［2-3］，周正道等人對AP1000核電機(jī)組的高壓缸排汽抽汽和再熱熱段抽汽方案進(jìn)行了研究［4］。隨著對低品位熱源利用的關(guān)注，國內(nèi)學(xué)者們對采用熱泵回收余熱提升經(jīng)濟(jì)性開展了研究，利用熱泵技術(shù)提取發(fā)電廠凝汽器循環(huán)水余熱的節(jié)能方案，得到許多發(fā)電企業(yè)的重視，成為北方電廠一項重要節(jié)能措施，并且進(jìn)行了工程實踐［5-13］。核能供熱主要是從核電機(jī)組二回路抽取蒸汽作為熱源，隨著供熱需求的增大，抽汽對機(jī)組功率的影響也增大，利用廢熱供熱能成為提升經(jīng)濟(jì)性的重要手段。

針對AP1000 核電機(jī)組，提出采用吸收式熱泵提取核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)的廢熱，再通過熱網(wǎng)加熱器進(jìn)一步加熱后提供熱水，分析了不同抽汽方式回收廢熱供熱對于機(jī)組功率提升的影響，為核能供熱的優(yōu)化方案提供參考。

1 廢熱回收方案

山東海陽核電一期工程AP1000 核電項目是引進(jìn)美國西屋公司的第三代先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)，兩臺機(jī)組分別在2018 年10 月和2019 年1 月商業(yè)運行，該機(jī)組為純凝發(fā)電機(jī)組。第一階段的供熱改造考慮地方的清潔供熱需求和時間緊迫性，供熱抽汽取自主蒸汽管道的新蒸汽，抽汽供熱如圖1所示。海陽核能供熱項目一期工程第一階段是通過廠內(nèi)換熱首站向地方熱力公司提供熱源，再由地方熱力換熱站、熱力管網(wǎng)系統(tǒng)向用戶供熱，提供70 萬m2的供熱。2019年11月，國內(nèi)首個商用核電站供熱項目投運，山東省能源局委托第三方評估首季運行情況，結(jié)論是清潔、安全、穩(wěn)定、高效，在技術(shù)上取得了核能利用效率的提升，經(jīng)濟(jì)上具備了與燃煤供熱持平的競爭力，具有大規(guī)模推廣應(yīng)用價值。由于供熱負(fù)荷不大，所以抽汽量很小，對機(jī)組的發(fā)電功率和核島一回路的影響也很小，這是一種可接受的抽汽供熱方式。

圖1 海陽核電一期工程抽汽供熱系統(tǒng)

核能供熱不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對碳減排的作用也非常顯著，擴(kuò)大供熱規(guī)模是必然趨勢。隨著海陽核電第二階段供熱面積和供熱負(fù)荷的增大，當(dāng)前所采用的從主蒸汽管道抽汽的供熱方式不符合能源梯級利用總原則，將顯著降低汽輪機(jī)的發(fā)電功率，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性受影響較大，須尋求更經(jīng)濟(jì)的抽汽供熱和能源利用方式，在滿足供熱溫度的前提下，采用低品質(zhì)的蒸汽用于抽汽供熱，同時盡量回收運行中的廢熱，提高能源利用率。核電機(jī)組正常運行時，旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備和熱交換器等產(chǎn)生大量的廢熱，需要冷卻水將熱量帶出，最終引入海水。這部分熱量以30～40 ℃的熱水存在，如果回收利用后用于供暖，滿足同等供熱負(fù)荷的條件下，將減少汽輪機(jī)的抽汽量，增加汽輪機(jī)發(fā)電功率，對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生可觀的收益。本方案提出在熱網(wǎng)系統(tǒng)中增設(shè)熱泵提取設(shè)備冷卻水和閉式冷卻水的熱量，結(jié)合熱網(wǎng)加熱器進(jìn)一步提升熱網(wǎng)水溫度達(dá)到供熱要求。核能供熱通過廠內(nèi)換熱首站、市政換熱站，最后經(jīng)市政供熱管網(wǎng)將熱量傳遞至最終用戶。高壓缸排汽作為熱泵和熱網(wǎng)加熱器的驅(qū)動汽源，熱泵的疏水和熱網(wǎng)加熱器的疏水合并后引入凝汽器，如圖2 所示。同時，對采用主蒸汽和高壓缸排汽作為抽汽汽源也進(jìn)行了對比分析。

圖2 熱泵回收廢熱用于供熱系統(tǒng)

2 分析方法及結(jié)果

AP1000 核電機(jī)組汽輪機(jī)采用飽和蒸汽作為工質(zhì)，單機(jī)功率大，為單軸四缸六排汽凝汽式汽輪機(jī)，由1 個雙流道高壓缸、3 個雙流道雙排汽低壓缸組成，轉(zhuǎn)速為1 500 r∕min。核島總功率、汽輪機(jī)組主要參數(shù)及抽汽口參數(shù)如表1 所示［14-15］。采用蒸汽驅(qū)動熱泵提取機(jī)組運行過程中核島設(shè)備冷卻水和常規(guī)島閉式冷卻水的熱量，作為熱網(wǎng)加熱器進(jìn)口水的加熱熱源，熱泵及熱網(wǎng)加熱器的進(jìn)出水溫度設(shè)計參數(shù)如表2 所示。針對一定的熱泵和熱網(wǎng)加熱器的熱負(fù)荷分配比，計算供熱負(fù)荷，并開展不同供熱方式下的機(jī)組功率計算，得到經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的設(shè)計方案。

表1 AP1000核電機(jī)組主要參數(shù)

表2 抽汽供熱主要參數(shù)

抽汽負(fù)荷和供熱總負(fù)荷的計算如下：

式中：Q0為供熱總熱負(fù)荷，MW；Qd為抽汽負(fù)荷，MW；Qc為設(shè)備冷卻水熱負(fù)荷，MW；Qt為閉式冷卻水熱負(fù)荷，MW；COP為熱泵熱力系數(shù)；η為熱泵和熱網(wǎng)加熱器的熱負(fù)荷分配比；t1為熱泵進(jìn)水溫度，℃；t2為熱泵出水溫度，℃；t3為熱網(wǎng)加熱器出水溫度，℃。

基于熱力系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，可進(jìn)行汽輪機(jī)組輸出功率的計算，計算主要步驟為：根據(jù)抽汽負(fù)荷假設(shè)主蒸汽流量，根據(jù)一回路特性曲線確定主蒸汽壓力，然后進(jìn)行二回路熱平衡計算和一回路熱功率計算，直至一回路熱功率達(dá)到限值，輸出汽輪機(jī)功率［16］。計算中假設(shè)再熱壓力和溫度與純凝工況一致，汽輪機(jī)效率和低壓抽汽的干度與純凝工況一致。

在發(fā)電廠中應(yīng)用的熱泵技術(shù)主要是溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵。溴化鋰吸收式Ⅰ類熱泵的性能系數(shù)（Coefficient of Performance COP）大約在1.5～1.7 之間［13］。核電廠中有大量的蒸汽可作為驅(qū)動源，本文以溴化鋰吸收式Ⅰ類熱泵為分析對象，取熱泵的COP 為1.7、η為0.5 的參數(shù)進(jìn)行供熱負(fù)荷和機(jī)組功率的計算，在熱泵完全回收核島設(shè)備冷卻水和常規(guī)島閉式冷卻水總熱量70 MW 時，需要驅(qū)動蒸汽負(fù)荷100 MW，根據(jù)熱負(fù)荷分配比，熱網(wǎng)加熱器的抽汽負(fù)荷為340 MW，總的抽汽負(fù)荷為440 MW，可實現(xiàn)向熱網(wǎng)提供共510 MW 的供熱負(fù)荷。按照采暖指標(biāo)平均采暖熱指45 W∕m2計算，可實現(xiàn)1 130 萬m2的供熱面積。

當(dāng)供熱負(fù)荷一定時，針對不同抽汽方式及配合廢熱回收的發(fā)電功率進(jìn)行分析，圖3為當(dāng)總的供熱負(fù)荷為510 MW 時，采用不同的抽汽供熱方式對機(jī)組功率的影響。供熱負(fù)荷比較大時，采用主蒸汽抽汽供熱最不經(jīng)濟(jì)，功率損失184 MW，不符合能源梯級利用原則。采用主蒸汽抽汽利用廢熱供熱可減少機(jī)組功率損失。采用高壓缸排汽供熱是比較經(jīng)濟(jì)的供熱方式，如果采用熱泵回收70 MW 廢熱將進(jìn)一步減少機(jī)組功率損失，是最經(jīng)濟(jì)的組合供熱方式。

圖3 不同抽汽供熱方式對機(jī)組功率的影響

海陽一期工程第一階段的供熱通過主蒸汽供熱，從能源梯級利用角度，不是最優(yōu)的供熱方式，以此為對比基準(zhǔn)計算從高壓缸抽汽供熱以及利用熱泵回收廢熱后的機(jī)組提升功率，如圖4所示。如果采用火電常用的抽汽供熱方式，從高壓缸排汽抽汽供熱510 MW，相比從主蒸汽抽汽供熱，可以提升機(jī)組功率73 MW，如果利用熱泵回收設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和閉式冷卻水系統(tǒng)的熱量，可繼續(xù)提升機(jī)組功率15.8 MW。

圖4 不同抽汽供熱方式提升功率對比

3 結(jié)語

核電機(jī)組供熱將是解決北方清潔供暖問題的重要途徑，也將在碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)實現(xiàn)過程中發(fā)揮重要作用，合理利用廢熱供熱將進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)性。以海陽核電一期工程AP1000 核電機(jī)組為例，介紹了主蒸汽抽汽供熱的方案，提出采用吸收式熱泵提取核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)的熱量作為熱網(wǎng)的第一級加熱的方案，用于回收設(shè)備運行的廢熱，提升經(jīng)濟(jì)性，再通過熱網(wǎng)加熱器進(jìn)一步加熱后提供熱水。計算分析了不同抽汽方式回收廢熱供熱對于機(jī)組功率提升的影響，結(jié)果表明采用COP 為1.7 的熱泵回收70 MW 熱量后，可提供510 MW 的總供熱負(fù)荷，相比高壓缸排汽抽汽直接供熱可提升機(jī)組功率15.8 MW，相比從主蒸汽抽汽供熱可提升的機(jī)組功率可達(dá)到約89 MW，因此從高排抽汽回收廢熱用于供熱對機(jī)組功率具有顯著的提升。