AP1000核電機(jī)組核能供熱示范項(xiàng)目綜合評(píng)價(jià)

于 航，耿文龍

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116）

0 前言

隨著工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，我國(guó)大氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，尤其北方地區(qū)近年來(lái)出現(xiàn)了嚴(yán)重的霧霾天氣，根據(jù)觀測(cè)我國(guó)近30%的國(guó)土面積受霧霾天氣影響［1］。通過(guò)研究空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)及污染特征，結(jié)果表明供暖是北方地區(qū)冬季霧霾形成的主要原因。

當(dāng)前，我國(guó)北方地區(qū)冬季集中供暖熱源以熱電聯(lián)產(chǎn)和區(qū)域鍋爐房為主。2017 年北方地區(qū)采暖總能源消耗為2 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，年排放二氧化碳5.41 億t，且北方地區(qū)供熱面積以每年2 億m2的速度增長(zhǎng)［2］，根據(jù)國(guó)家碳減排承諾，2030 年非化石能源占比達(dá)到20%，力爭(zhēng)碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，我國(guó)面臨碳減排巨大挑戰(zhàn)，在碳減排壓力下，部分污染排放高、能源利用率低的供暖熱源被迫關(guān)停［3］，因此，迫切需要清潔、高效的熱源解決北方地區(qū)日益嚴(yán)重的熱源短缺問(wèn)題。核能作為替代傳統(tǒng)化石燃料的重要清潔能源，其溫室氣體排放量?jī)H為同等規(guī)模煤電的百分之一左右［4］。核能供熱作為核電向核能綜合利用發(fā)展的重要研究方向，受到國(guó)際和國(guó)內(nèi)廣泛關(guān)注。國(guó)際上，芬蘭、俄羅斯等國(guó)家已開始核能供熱技術(shù)研發(fā)和市場(chǎng)應(yīng)用，核能供熱的安全性與可靠性已經(jīng)得到驗(yàn)證［5］；在國(guó)內(nèi)，高校及設(shè)計(jì)院針對(duì)核能供熱分設(shè)計(jì)了不同類型的供熱或熱電聯(lián)供堆型，但尚未有大型壓水堆核電機(jī)組商業(yè)化供熱先例。

隨著我國(guó)核電不斷發(fā)展，核電廠在供電基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)冬季供熱，可有效提高核電廠熱效率，實(shí)現(xiàn)核能更高效利用，同時(shí)能夠有效降低大氣污染物排放量，環(huán)保效益顯著。

1 核能供熱總體方案

海陽(yáng)核電核能供熱工程規(guī)劃分兩階段實(shí)施，第一階段利用廠區(qū)輔助蒸汽為周邊區(qū)域70 萬(wàn)m2市政用戶供熱，第二階段通過(guò)汽輪機(jī)冷再熱管道抽汽為海陽(yáng)市區(qū)市政供熱。

目前第一階段核能供熱示范項(xiàng)目已建成并投運(yùn)，根據(jù)技術(shù)方案，第一階段利用廠區(qū)輔助蒸汽管網(wǎng)供汽，通過(guò)設(shè)置在廠區(qū)內(nèi)的供熱首站實(shí)現(xiàn)熱量交換，其供熱系統(tǒng)包含熱網(wǎng)蒸汽、熱網(wǎng)循環(huán)水、熱網(wǎng)加熱器疏水以及熱網(wǎng)補(bǔ)水定壓子系統(tǒng)，供熱系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 供熱系統(tǒng)流程

1.1 熱網(wǎng)蒸汽和疏水系統(tǒng)

供熱首站熱網(wǎng)加熱蒸汽取自廠區(qū)輔助蒸汽，蒸汽由抽汽管線上的調(diào)節(jié)閥根據(jù)熱負(fù)荷調(diào)節(jié)，蒸汽通過(guò)兩臺(tái)65%設(shè)計(jì)熱負(fù)荷管殼式汽水換熱器加熱循環(huán)水。蒸汽冷凝后的疏水通過(guò)疏水子系統(tǒng)首先輸送至廠區(qū)換熱站疏水箱，再通過(guò)疏水泵輸送至凝汽器，實(shí)現(xiàn)工質(zhì)和熱量回收，減少機(jī)組補(bǔ)水量，熱源側(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 熱源側(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)

熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的功能是將熱網(wǎng)循環(huán)回水升壓、升溫后，送至二級(jí)換熱站，為下游用戶供熱。該系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，由兩臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵、排污過(guò)濾器、管道及閥門組成。

熱網(wǎng)循環(huán)水回水先經(jīng)循環(huán)水過(guò)濾器過(guò)濾后，通過(guò)熱網(wǎng)循環(huán)水泵加壓，升壓后循環(huán)水通過(guò)熱網(wǎng)加熱器加熱，送至下游換熱站實(shí)現(xiàn)熱量交換。熱網(wǎng)循環(huán)水泵設(shè)置止回閥旁路，該管路的主要作用是避免水錘對(duì)系統(tǒng)的破壞，當(dāng)循環(huán)水泵停運(yùn)供水壓力驟降時(shí)，熱網(wǎng)循環(huán)水回水母管能夠通過(guò)快啟式止回閥聯(lián)通供水管，達(dá)到壓力自平衡。

1.3 熱網(wǎng)補(bǔ)水、定壓系統(tǒng)

熱網(wǎng)補(bǔ)水、定壓系統(tǒng)通過(guò)向熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口回水管路補(bǔ)水以維持回水壓力穩(wěn)定，確保當(dāng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵停運(yùn)時(shí)，供熱管網(wǎng)不發(fā)生汽化。熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)置正常補(bǔ)水管路和危急補(bǔ)水管路，正常補(bǔ)水經(jīng)過(guò)除氧器除氧后，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的兩臺(tái)100%容量熱網(wǎng)補(bǔ)水定壓泵向系統(tǒng)回水母管補(bǔ)水，正常補(bǔ)水管路同時(shí)起到管網(wǎng)定壓作用；危急補(bǔ)水由工業(yè)水提供，事故工況下正常補(bǔ)水無(wú)法滿足要求時(shí)，開啟事故補(bǔ)水管線隔離閥，向管網(wǎng)循環(huán)水回水母管補(bǔ)水。補(bǔ)水水質(zhì)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 補(bǔ)水水質(zhì)

2 核能供熱安全性分析

2.1 供熱對(duì)核島運(yùn)行影響

該核能供熱技術(shù)方案僅對(duì)輔助蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行改造，不涉及核島系統(tǒng)設(shè)備，對(duì)核島反應(yīng)堆總參數(shù)、運(yùn)行瞬態(tài)以及核安全無(wú)影響，供熱系統(tǒng)啟停、熱負(fù)荷變化等對(duì)反應(yīng)性調(diào)節(jié)均無(wú)影響［6］。

2.2 放射性釋放分析

核電站為保護(hù)公眾和環(huán)境免受放射性物質(zhì)照射，設(shè)置了燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼三重屏障，新增抽汽供熱系統(tǒng)對(duì)核電站設(shè)置的三道安全屏障沒(méi)有影響［7］。同時(shí)為避免放射性物質(zhì)向熱用戶泄漏和擴(kuò)散，供熱方案采用多級(jí)供熱環(huán)路方式，供熱系統(tǒng)多級(jí)供熱環(huán)路設(shè)置如圖2所示。

圖2 供熱多級(jí)環(huán)路

正常運(yùn)行期間，蒸汽發(fā)生器作為隔離邊界，控制一回路放射性物質(zhì)進(jìn)入二回路蒸汽系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽發(fā)生器傳熱管發(fā)生破裂，機(jī)組主蒸汽管路、蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)及凝汽器抽真空系統(tǒng)設(shè)置的輻射監(jiān)測(cè)儀將能及時(shí)探測(cè)到放射性并報(bào)警，機(jī)組采取應(yīng)急措施防止二回路蒸汽中放射性物質(zhì)擴(kuò)散。

供熱首站熱網(wǎng)加熱器設(shè)計(jì)循環(huán)水側(cè)壓力高于蒸汽側(cè)壓力，當(dāng)熱網(wǎng)換熱器發(fā)生小泄漏時(shí)，由于熱網(wǎng)循環(huán)水壓力高于抽汽回路壓力，蒸汽中的放射性不會(huì)泄漏至熱網(wǎng)循環(huán)水回路。

僅當(dāng)發(fā)生蒸汽發(fā)生器破口疊加供熱換熱器傳熱管破口疊加熱網(wǎng)環(huán)路市區(qū)的管道破口，才有可能導(dǎo)致向市區(qū)的放射性泄漏，經(jīng)分析此事故發(fā)生的概率小于10-11/（堆·年），且設(shè)置有監(jiān)測(cè)和隔離控制手段能有效阻止放射性向熱網(wǎng)循環(huán)水回路系統(tǒng)泄漏。

在上述屏障基礎(chǔ)上，供熱首站熱網(wǎng)循環(huán)水供水母管設(shè)置了低放射性輻射監(jiān)測(cè)儀，供熱季運(yùn)行過(guò)程中，供熱首站熱網(wǎng)循環(huán)水低放射性輻射監(jiān)測(cè)儀測(cè)量結(jié)果均小于儀表檢出限，總體運(yùn)行平穩(wěn)。

3 供熱首站運(yùn)行狀態(tài)

3.1 供熱負(fù)荷及熱源可靠性分析

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，本方案采暖熱負(fù)荷和耗熱量采用以下公式計(jì)算［8］：

式中：Qh為采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；qh為采暖熱指標(biāo)，W/m2；AC為采暖建筑面積，m2。

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，對(duì)海陽(yáng)地區(qū)供暖季不同月份平均溫度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3 所示。本方案依據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)選取采暖熱負(fù)荷和耗熱量計(jì)算指標(biāo)。

表3 海陽(yáng)市供暖季各月份平均溫度

本方案供熱綜合采暖指標(biāo)取45 W/m2，冬季室內(nèi)計(jì)算溫度取18 ℃，根據(jù)海陽(yáng)地區(qū)供熱期氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采暖期室外計(jì)算溫度取-5.8 ℃，采暖期室外平均溫度取0.7 ℃；依據(jù)上述計(jì)算邊界核算供熱負(fù)荷、蒸汽量及總供熱量。

表4 供暖熱負(fù)荷及蒸汽量

當(dāng)前電站輔助蒸汽系統(tǒng)蒸汽裕量50 t/h，滿足供熱首站設(shè)計(jì)熱負(fù)荷工況48.2 t/h 蒸汽需求。本方案通過(guò)輔助蒸汽系統(tǒng)為供熱首站提供加熱蒸汽，其熱源可靠性十分重要，電站輔助蒸汽系統(tǒng)熱源包括正常運(yùn)行機(jī)組和輔助電鍋爐，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行期間，由運(yùn)行機(jī)組向輔助蒸汽系統(tǒng)供汽，且機(jī)組故障時(shí)可切換至其他機(jī)組供汽；輔助電鍋爐主要用于機(jī)組啟動(dòng)時(shí)向除氧器、汽輪機(jī)軸封及廠區(qū)各采暖換熱站等提供蒸汽，可作為供熱應(yīng)急熱源，通過(guò)多熱源提高了核能首站供熱的可靠性。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年度海陽(yáng)市供暖季因設(shè)備故障停暖累計(jì)時(shí)間47 h，故障率為1.63%，采用核電廠作為供暖熱源供暖故障率大幅下降，2020 年度供暖季累計(jì)停暖10 h，故障率僅為0.38%，供熱可靠性顯著提升。

3.2 供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)

常規(guī)供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式分為質(zhì)調(diào)節(jié)和量調(diào)節(jié)，質(zhì)調(diào)節(jié)通過(guò)改變管網(wǎng)的供水溫度調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，管網(wǎng)循環(huán)水流量保持不變，該調(diào)節(jié)方式操作簡(jiǎn)單、熱力工況穩(wěn)定，但系統(tǒng)耗電量較大，而量調(diào)節(jié)方式通過(guò)改變管網(wǎng)的循環(huán)水流量調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，該方式系統(tǒng)耗電量低，但操作復(fù)雜。

本技術(shù)方案充分考慮熱力管網(wǎng)容量和核電機(jī)組安全運(yùn)行要求，采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式，根據(jù)室外環(huán)境溫度狀況，熱網(wǎng)循環(huán)水分階段按50%、75%和100%設(shè)計(jì)流量運(yùn)行，各階段內(nèi)通過(guò)調(diào)節(jié)供熱蒸汽量，實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷小范圍調(diào)節(jié)。本供暖季供熱首站供回水溫度變化趨勢(shì)如圖3 所示，通過(guò)供回水溫度變化曲線可知，通過(guò)采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式，各階段根據(jù)室外溫度變化熱網(wǎng)供回水溫度存在小幅度調(diào)節(jié)，整個(gè)供暖季供回水溫度整體保持平穩(wěn)，該調(diào)節(jié)方式在節(jié)省熱網(wǎng)循環(huán)水泵電能消耗的同時(shí)，簡(jiǎn)化了運(yùn)行操作，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 供暖季供回水溫度變化趨勢(shì)

3.3 熱網(wǎng)側(cè)運(yùn)行狀態(tài)分析

熱網(wǎng)加熱蒸汽從除鹽水廠房輔助蒸汽支管抽取，送至供熱首站循環(huán)水加熱器，滿足熱網(wǎng)首站用汽需求，接口位置如圖4所示。

圖4 輔助蒸汽抽汽接口位置

通過(guò)對(duì)2019 年供暖季供熱首站運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，本供暖季運(yùn)行期間熱網(wǎng)加熱蒸汽實(shí)際最大進(jìn)汽流量為48 t/h，平均進(jìn)汽流量為37.2 t/h，高于設(shè)計(jì)平均進(jìn)汽流量，詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)如表5所示。按照理論核算年供熱量26.9萬(wàn)GJ，實(shí)際供熱量為28.7萬(wàn)GJ，實(shí)際供熱負(fù)荷明顯高于設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷。

表5 熱網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)

本供暖季海陽(yáng)地區(qū)平均氣溫變化如圖5 所示，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，本供暖季熱網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)總體評(píng)價(jià)如下。

圖5 海陽(yáng)市日平均氣溫變化

1）初期和末期環(huán)境溫度較高，平均熱負(fù)荷94.7 GJ/h優(yōu)于設(shè)計(jì)平均熱負(fù)荷，供暖中期氣溫達(dá)到最低值時(shí)，供熱首站達(dá)到最大供暖熱負(fù)荷120.6 GJ/h。通過(guò)比較熱網(wǎng)加熱器平均蒸汽量和平均熱負(fù)荷設(shè)計(jì)值與實(shí)際值，供熱期熱網(wǎng)首站運(yùn)行達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。

2）熱網(wǎng)調(diào)節(jié)方式安全、高效，供回水溫差總體穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)供熱需求。

3）熱網(wǎng)加熱器抽汽比焓接近設(shè)計(jì)值且變化幅度較少，也從側(cè)面反映抽汽參數(shù)總體穩(wěn)定。

4 核能供熱示范項(xiàng)目綜合評(píng)價(jià)

4.1 對(duì)機(jī)組出力影響

現(xiàn)階段我國(guó)北方地區(qū)發(fā)電能力嚴(yán)重過(guò)剩，冬季電力負(fù)荷需求受限，已出現(xiàn)核電機(jī)組壓負(fù)荷情況［9］，通過(guò)核電機(jī)組供熱可進(jìn)一步提高電站設(shè)備利用小時(shí)數(shù)，促進(jìn)機(jī)組高效運(yùn)行。

示范項(xiàng)目供暖季運(yùn)行最低熱負(fù)荷50 GJ/h、最高120.6 GJ/h、平均熱負(fù)荷94.7 GJ/h，平均蒸汽流量約37.2 t/h，累計(jì)供熱量為28.7 萬(wàn)GJ。汽輪機(jī)額定進(jìn)氣量為6 799 t/h，電功率為1 253 MW，經(jīng)折算，供熱后機(jī)組發(fā)電功率降低額定電功率的0.55%，約為6.85 MW，但能源綜合效率提高，示范項(xiàng)目投運(yùn)后全廠熱效率由36.69%提升至37.17%。

4.2 環(huán)境效益

當(dāng)前，北方地區(qū)集中供暖熱源仍以燃煤鍋爐為主，燃煤排放物正是導(dǎo)致全國(guó)范圍內(nèi)碳排放超標(biāo)，尤其是華北地區(qū)冬季霧霾嚴(yán)重的主要原因［10］。海陽(yáng)市大氣污染源主要以燃煤電廠和集中供熱企業(yè)為主，核能供熱投產(chǎn)后，供熱季總供熱量28.7萬(wàn)GJ，折算替代標(biāo)煤量為1.78 萬(wàn)t，減少空氣污染物排放量如表6所示，項(xiàng)目減排效益顯著。

表6 折算空氣污染物排放量單位：t

4.3 社會(huì)效益

海陽(yáng)核電核能供熱示范項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)商業(yè)化核電機(jī)組供熱改造先例，符合國(guó)家推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖重大決策部署，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益：供熱效果和供熱穩(wěn)定性提高，使地方居民獲得感顯著提升；大氣污染物減排貢獻(xiàn)顯著，空氣質(zhì)量明顯改善；該項(xiàng)目作為國(guó)內(nèi)首個(gè)核能供熱項(xiàng)目，對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)核能綜合利用起到了示范作用，同時(shí)該項(xiàng)目也為地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展增添動(dòng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

海陽(yáng)核電核能供熱示范項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)核能商用供熱零的突破，技術(shù)上運(yùn)行安全穩(wěn)定，使電站核能綜合利用率顯著提高；經(jīng)濟(jì)性上大規(guī)模核能供熱具有較高的運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性，比燃煤供熱更具競(jìng)爭(zhēng)力；生態(tài)方面核能供熱碳減排環(huán)保效益顯著，是當(dāng)前替代傳統(tǒng)能源實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集中供暖重要清潔熱源。

未來(lái)將進(jìn)一步研究核電機(jī)組供熱改造和長(zhǎng)距離管網(wǎng)傳輸技術(shù)，滿足大規(guī)模核能供熱需求，進(jìn)一步提高核能供熱經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)研究利用核能供熱管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)水熱同送，實(shí)現(xiàn)核能綜合利用。