以核能多用途利用構(gòu)建零碳新賽道
——以秦山核電核能供熱示范工程為例的探索與建議

孫震嘯，周 萍，鐘小波，徐 中

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

1 海鹽核能供熱示范工程實(shí)踐與亮點(diǎn)

核能具有清潔低碳、安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢，是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要支撐。浙江海鹽核能供熱示范工程是我國南方首個(gè)核能集中供熱項(xiàng)目，由秦山核電與浙江省海鹽縣合作推進(jìn)，其一階段示范項(xiàng)目于2021年12月3日正式投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)惠及當(dāng)?shù)?000戶居民總計(jì)45.9萬m2集中供暖，助力海鹽縣打造“南方核能供熱示范窗口”，并獲得浙江省能源局授予的“浙江省核能綜合利用示范城市”殊榮(圖1)，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)獲浙江省領(lǐng)導(dǎo)批示肯定。

圖1 浙江省核能綜合利用示范城市Fig.1 Demonstration city of comprehensive utilization of nuclear energy in Zhejiang Province

在一階段示范項(xiàng)目取得成功的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目二階段將深入拓展核能多用途利用范圍，重點(diǎn)攻關(guān)核能供熱在工業(yè)場景的應(yīng)用。考慮產(chǎn)業(yè)需求和接入便利性，目前選取秦山街道的核電特色小鎮(zhèn)作為試點(diǎn)，為區(qū)域內(nèi)首批9家工業(yè)用戶提供生產(chǎn)用熱，替代原有的天然氣等化石能源，實(shí)現(xiàn)余熱循環(huán)化利用和“減碳”雙目標(biāo)，計(jì)劃今年三季度投運(yùn)，有望成為全國首個(gè)建成投運(yùn)的核能工業(yè)供熱示范項(xiàng)目。項(xiàng)目主要亮點(diǎn)是：

1.1 自主攻關(guān)挖掘核電余熱資源，節(jié)能減碳效益顯著

核燃料產(chǎn)生的熱能只有三分之一轉(zhuǎn)化成電能，其余能量最終傳導(dǎo)至冷卻水，以溫排水的形式排入大海，剩余的熱能就此流失。秦山核電技術(shù)人員經(jīng)過多年自主科研攻關(guān)，在確保核電機(jī)組安全的前提下，提出了利用核電機(jī)組不涉核的二回路輔助蒸汽經(jīng)多次換熱實(shí)現(xiàn)熱水循環(huán)集中供暖的方案。全過程僅消耗核電剩余熱功率，無新增能耗，大大減少化石能源和電力消耗。項(xiàng)目全面建成后，預(yù)計(jì)年供熱量可達(dá)170萬GJ，相當(dāng)于每年可減少使用標(biāo)煤5.8萬t，相應(yīng)減排二氧化碳13.9萬t，二氧化硫4279t、氮氧化物2138t，將有效助力節(jié)能減排。

1.2 強(qiáng)化數(shù)字賦能，運(yùn)用智慧化、模塊化技術(shù)確保安全供熱

以數(shù)字化為抓手，建設(shè)智慧管網(wǎng)、智慧“駕駛艙”(圖2)和熱力站，采用全自動(dòng)PLC控制，可對熱源、換熱站、用戶端進(jìn)行集中監(jiān)測與遠(yuǎn)程操控，確保核能供熱的安全性。換熱首站創(chuàng)新建成全國首臺(tái)模塊化核能供暖集成裝置，集工藝、電氣、儀控系統(tǒng)、建筑結(jié)構(gòu)、消防、輻射監(jiān)測等功能于一體，建造成本和工期比傳統(tǒng)模式節(jié)約50%以上。

圖2 智慧“駕駛艙”控制室Fig.2 Smart control room

1.3 夯實(shí)政企合作體制機(jī)制，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)

為高效推動(dòng)這一項(xiàng)目，秦山核電與海鹽縣合作成立核能供熱工作專班和浙江零碳熱力有限責(zé)任公司，建立了“專班化推進(jìn)+專業(yè)化運(yùn)作”機(jī)制，自項(xiàng)目啟動(dòng)至一階段投運(yùn)，僅用時(shí)一年多，創(chuàng)造了政企合作的新速度。該項(xiàng)目可有效緩解地方能耗“雙控”壓力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。對用熱企業(yè)而言，核能供熱提供經(jīng)濟(jì)清潔的熱源，可減輕企業(yè)經(jīng)營成本，實(shí)現(xiàn)降本增效。經(jīng)初步測算，采用核能供熱后，核電小鎮(zhèn)首批工業(yè)用戶每年可節(jié)省15%的運(yùn)營費(fèi)用(約700萬元)。

2 核能多用途利用方面存在的問題及原因分析

2.1 核能供熱項(xiàng)目后續(xù)建設(shè)缺少專項(xiàng)規(guī)劃和地方標(biāo)準(zhǔn)的支撐

在示范項(xiàng)目取得突破后，核能供熱將進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，熱力管網(wǎng)設(shè)施建設(shè)將進(jìn)一步鋪開。2021年修編的《海鹽縣集中供熱規(guī)劃(2021—2030年)》將秦山核電(綜合供能平臺(tái))作為新增熱源點(diǎn)納入規(guī)劃，并交代了與現(xiàn)有熱源點(diǎn)的關(guān)系。但對于供熱管線如何布置并未交代，為做好與上位規(guī)劃的銜接并為下階段工程實(shí)施提供規(guī)劃選址依據(jù)，亟需編制核能供熱專項(xiàng)規(guī)劃指導(dǎo)項(xiàng)目建設(shè)有序開展。

此外，我國南方地區(qū)(核能)集中供熱尚未建立專門的技術(shù)規(guī)范和地方標(biāo)準(zhǔn)。供熱工程建設(shè)也與北方集中采暖區(qū)存在較大差異，如南方地下水位高，地下空間狹小，相關(guān)規(guī)劃、地下管線實(shí)施中未預(yù)留熱力管線的管位等，供熱管道選材、施工上也無明確技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在一階段項(xiàng)目建設(shè)過程中已遇到此類問題。

2.2 核能多用途利用的維度存在明顯的局限性

理論上核能可實(shí)現(xiàn)供熱/冷、制氫、制壓縮空氣、海水淡化等多種用途，構(gòu)建綜合供能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的清潔能源置換，為出口型企業(yè)打破國際貿(mào)易碳交易稅壁壘提供解決方案。根據(jù)朗肯循環(huán)原理，核反應(yīng)堆在冬季熱效率更高，在發(fā)電機(jī)銘牌功率固定的前提下，冬季具有相對富余的剩余熱功率，可用于中短距離熱水供應(yīng)。當(dāng)前實(shí)施的核能供熱示范工程就是基于此技術(shù)路線開展的，一級(jí)熱網(wǎng)出水溫度130 ℃，壓力1.6 MPa，可滿足生活采暖和低參數(shù)工業(yè)供熱。

但秦山核電基地所在的長三角地區(qū)，化工、紡織、紙業(yè)等傳統(tǒng)高耗能行業(yè)蒸汽需求量大，用熱參數(shù)較高，多數(shù)企業(yè)希望能提供180度以上的蒸汽。若通過抽取現(xiàn)有核電機(jī)組部分主蒸汽的方式進(jìn)行供熱，將影響發(fā)電能力(據(jù)估算每提升4 MW供熱能力約損失1 MW發(fā)電能力)，而核電屬于基荷電源，現(xiàn)階段仍需優(yōu)先保障電力供應(yīng)和電網(wǎng)穩(wěn)定性，暫不具備供應(yīng)蒸汽的可行性。另外，用于核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的大量溫排水現(xiàn)狀直接排入大海，這部分熱量也未能得到回收利用。

2.3 圍繞核能多用途利用的產(chǎn)業(yè)布局存在較大的優(yōu)化空間

嘉興港區(qū)、海鹽經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和百步經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，作為區(qū)域工業(yè)主平臺(tái)，工業(yè)企業(yè)聚集度高、用熱需求大，但在空間上分別位于該縣東北和西北側(cè)，與位于南側(cè)的秦山核電基地距離都在25 km以上，供能管線建設(shè)成本很高。此外，秦山核電擁有國內(nèi)唯一的2臺(tái)商用重水堆核電機(jī)組，在放射性同位素生產(chǎn)方面具有顯著優(yōu)勢。核技術(shù)應(yīng)用(同位素)產(chǎn)業(yè)是一項(xiàng)附加值高、市場空間大的產(chǎn)業(yè)，潛在市場規(guī)模高達(dá)萬億美元，是核產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的新藍(lán)海。以充分發(fā)揮核能多用途利用的優(yōu)勢為目標(biāo)，縣內(nèi)產(chǎn)業(yè)空間布局還需進(jìn)一步梳理和優(yōu)化。

3 針對核能多用途利用的對策建議

針對上述問題，以實(shí)現(xiàn)企地互利共贏、構(gòu)建零碳發(fā)展新賽道為目標(biāo)，分享以下幾點(diǎn)對策建議，其中部分建議已處于試點(diǎn)或研究階段。

3.1 盡快建立并出臺(tái)核能供熱管道設(shè)施專項(xiàng)規(guī)劃和地方標(biāo)準(zhǔn)

為確保項(xiàng)目按“統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實(shí)施”的原則有序推進(jìn)，建議盡快建立并出臺(tái)核能供熱管道設(shè)施專項(xiàng)規(guī)劃和地方標(biāo)準(zhǔn)。其中，《海鹽縣核能集中供熱管道設(shè)施專項(xiàng)規(guī)劃》已于2022年啟動(dòng)編制，規(guī)劃覆蓋海鹽縣全域范圍，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)核能供熱管道設(shè)施全覆蓋，供熱主干線延伸至各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，并兼顧民用、工業(yè)、農(nóng)業(yè)多個(gè)領(lǐng)域。目前已完成規(guī)劃編制及專家評審，預(yù)計(jì)年內(nèi)發(fā)布。

針對南方地區(qū)(核能)集中供熱缺乏相應(yīng)技術(shù)規(guī)范和地方標(biāo)準(zhǔn)的問題，秦山核電與海鹽縣也已著手開展前期研究，擬結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，搶抓先機(jī)，在全國范圍率先起草并制定核能供熱地方標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范核能供熱施工、家裝(工裝)市場，保障核能供熱安全，為后續(xù)在其余地區(qū)推廣奠定基礎(chǔ)。

3.2 進(jìn)一步拓展核能多用途利用的維度和深度

全國范圍來看，在新一代核能技術(shù)方面，山東榮成的高溫氣冷堆示范工程已于2021年12月并網(wǎng)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了我國第四代核電技術(shù)的突破。該堆型具備更高的固有安全特性，能夠提供溫度570 ℃，壓力13.9 MPa的過熱蒸汽，參數(shù)接近甚至超越常規(guī)火電機(jī)組，可滿足化工等行業(yè)不同壓力段的蒸汽需求(圖3)；以高溫氣冷堆耦合生物質(zhì)制氫、熱化學(xué)制氫，可實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模生產(chǎn)的無碳化，為化工園區(qū)提供穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝用氫。經(jīng)調(diào)研，高溫氣冷堆耦合壓水堆提供的綜合能源，可滿足絕大部分工業(yè)園區(qū)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等對電、熱、冷、氫的用能需求，是開展核能多用途利用、實(shí)現(xiàn)化石能源零碳替代的理想解決方案。今年以來，秦山核電與地方政府已啟動(dòng)基于高溫堆技術(shù)的核能綜合利用課題研究，共同謀劃工業(yè)蒸汽應(yīng)用等前瞻性項(xiàng)目。海南昌江正在建設(shè)全球首個(gè)陸上商用模塊化小型堆“玲龍一號(hào)”，擬開展海水淡化嘗試。中核“燕龍”泳池堆是未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模清潔供暖的先進(jìn)堆型，據(jù)測算，一座400 MW的“燕龍”低溫供熱堆，供暖面積可達(dá)2000萬m2，覆蓋20萬個(gè)家庭，完全滿足中等規(guī)模城市的采暖需求。

圖3 高溫堆與化工行業(yè)匹配性Fig.3 Matching between high temperature reactor and chemical industry

另外，核電溫排水余熱溫度約30～50 ℃，這一溫度區(qū)間的熱量能否通過科研攻關(guān)進(jìn)行收集并用于高附加值的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、熱帶動(dòng)植物養(yǎng)殖業(yè)等用熱參數(shù)較低的領(lǐng)域，也是打破現(xiàn)狀局限性，實(shí)現(xiàn)余熱梯度充分利用的一個(gè)方向，目前也在與相關(guān)企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)開展前期調(diào)研工作。

3.3 優(yōu)化資源配置實(shí)現(xiàn)核電基地與關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的共生耦合布局

早在2010年，浙江省與中核集團(tuán)就提出在海鹽建設(shè)“中國核電城”，2015年中國核電城先行啟動(dòng)區(qū)——秦山街道的核電小鎮(zhèn)被列入省級(jí)首批特色小鎮(zhèn)創(chuàng)建名單。至2021年底，小鎮(zhèn)已入駐企業(yè)314家，核關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)291億元，形成了核電運(yùn)維、服務(wù)全過程產(chǎn)業(yè)鏈。在此基礎(chǔ)上，建議依托重水堆特性，大力發(fā)展核技術(shù)應(yīng)用(同位素)產(chǎn)業(yè)，建設(shè)同位素研發(fā)、生產(chǎn)、加工、應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈基地，引進(jìn)國內(nèi)外同位素制品及核藥、輻照改性新材料、輻照裝置等生產(chǎn)企業(yè)，結(jié)合輻射治療、康養(yǎng)等服務(wù)業(yè)，打造上下游一體、品種豐富的全國同位素產(chǎn)業(yè)示范基地，加快形成“核藥硅谷”。

針對現(xiàn)狀工業(yè)主平臺(tái)距離核電基地較遠(yuǎn)的問題，一是結(jié)合正在編制的核能供熱管道設(shè)施專項(xiàng)規(guī)劃，尋求經(jīng)濟(jì)可行最優(yōu)化的供能路徑，盡可能避免對生態(tài)、城建風(fēng)貌的破壞。二是建議優(yōu)化區(qū)域重點(diǎn)用能企業(yè)空間布局，用熱需求大、能耗高的工業(yè)項(xiàng)目盡可能置換到核電基地附近產(chǎn)業(yè)園，提高聚集度和耦合度。此外，在秦山核電廠區(qū)內(nèi)規(guī)劃建設(shè)的新型獨(dú)立儲(chǔ)能電站已成功入選浙江省“十四五”第一批新型儲(chǔ)能示范項(xiàng)目名單，后續(xù)可通過協(xié)同核能多用途利用、整縣光伏開發(fā)試點(diǎn)和新型儲(chǔ)能項(xiàng)目，圍繞核電基地建設(shè)零碳未來城(園)，形成獨(dú)具特色的“核能+光伏+儲(chǔ)能”共生互補(bǔ)型清潔能源基地，為“雙碳”目標(biāo)下發(fā)揮“長三角一體化”示范效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展構(gòu)建零碳新賽道。