山東海陽核電廠水熱同產(chǎn)同送示范工程

張世鋼

2021年，由國家電投山東核電與清華大學(xué)聯(lián)合建設(shè)的世界首個(gè)“水熱同產(chǎn)同送”科技示范工程在海陽投運(yùn)。該工程通過抽取海陽核電機(jī)組蒸汽，驅(qū)動(dòng)水熱同產(chǎn)裝置同步產(chǎn)送高溫高品質(zhì)淡水，提高了能源綜合利用效率，為全國加速核能綜合利用、推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供了重要借鑒。

技術(shù)簡介

水熱同產(chǎn)同送系統(tǒng)包含三個(gè)環(huán)節(jié)：水熱同產(chǎn)、水熱同送和水熱分離。水熱同產(chǎn)裝置在實(shí)現(xiàn)海水淡化的同時(shí)產(chǎn)生高溫的熱淡水，水熱同送系統(tǒng)把熱淡水輸送到用戶端，水熱分離裝置將熱淡水中的熱量取出來用于采暖，低溫淡水送給自來水公司。

示范工程概況

海陽核電廠水熱同產(chǎn)同送示范工程于2020～2021年采暖季建成，設(shè)計(jì)日產(chǎn)熱淡水120噸，供熱面積1萬平方米，雖然規(guī)模很小，卻是水熱同產(chǎn)同送技術(shù)在實(shí)際工程中的第一次完整應(yīng)用，旨在為將來大規(guī)模推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。

本工程在海陽核電廠內(nèi)設(shè)置水熱同產(chǎn)設(shè)備，用核電廠汽輪機(jī)抽汽驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生95℃高溫淡水，通過一根管徑DN80的管道輸送到9km外的專家村，在專家村設(shè)置水熱分離裝置，提取的熱量用于承擔(dān)專家村接待中心的采暖熱負(fù)荷和泳池?zé)嶝?fù)荷，降溫以后的淡水滿足部分生活用水需求。

水熱同產(chǎn)部分

本工程根據(jù)核電廠特殊情況增加了中間回路，核電廠蒸汽首先加熱中間回路的熱水，再由中間回路熱水驅(qū)動(dòng)水熱同產(chǎn)裝置。設(shè)計(jì)工況下原海水進(jìn)口流量10t/h，其中5t/h變成高溫?zé)岬?，剩?t/h變成濃海水排回大海。運(yùn)行時(shí)通過定壓水泵保證中間熱水回路壓力始終高于蒸汽壓力，即使換熱器發(fā)生泄露也是熱水往蒸汽一側(cè)漏，從而確保海水以及由海水產(chǎn)生的淡水不會(huì)受到核輻射的污染。

水熱同產(chǎn)裝置包括兩套，一套為多級(jí)閃蒸水熱同產(chǎn)裝置，一套為多效蒸餾水熱同產(chǎn)裝置。多級(jí)閃蒸水熱同產(chǎn)裝置原理：原海水先順次進(jìn)入各級(jí)冷凝器傳熱管內(nèi)被加熱升溫，從最后一級(jí)冷凝器出來后再被中間回路熱水加熱，然后逐級(jí)進(jìn)入各級(jí)閃蒸器閃蒸降溫，海水逐級(jí)濃縮，最后變成低溫濃海水回歸大海;每一級(jí)閃蒸器產(chǎn)生的蒸汽在本級(jí)冷凝器傳熱管外凝結(jié)放熱，凝結(jié)水就是要得到的淡水，低溫級(jí)冷凝器產(chǎn)生的淡水先流到高溫級(jí)冷凝器，跟高溫級(jí)冷凝水匯合后再流向更高溫級(jí)冷凝器，最后從最高溫級(jí)冷凝器流出來，就是高溫淡水。示范工程中的多級(jí)閃蒸水熱同產(chǎn)裝置共采用了20級(jí)，各級(jí)上下排列，整體為立式結(jié)構(gòu)。

多效蒸餾水熱同產(chǎn)裝置原理：原海水通過冷凝器預(yù)熱后，作為原料水并聯(lián)或者串聯(lián)進(jìn)入各效蒸發(fā)器，第一效蒸發(fā)器由中間回路熱水加熱，海水在傳熱管外降膜蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽作為第二效蒸發(fā)器熱源，熱量如此逐級(jí)往下傳遞，蒸汽冷凝水從低溫效流到高溫效，最后從最高溫效流出，就是要得到的高溫淡水。示范工程中的多效蒸餾水熱同產(chǎn)裝置采用14效蒸發(fā)、1級(jí)冷凝流程，結(jié)構(gòu)上采用圓筒形管殼式垂直布置，海水從上往下靠重力差逐級(jí)流動(dòng)，具有占地面積小、水泵數(shù)量少、耗電量低的優(yōu)點(diǎn)。兩套水熱同產(chǎn)裝置通過框架合成一體，設(shè)計(jì)產(chǎn)水量5t/h，供水溫度95℃。

水熱同送部分

根據(jù)位置不同分為三部分：一部分在電廠水熱同產(chǎn)裝置出口，采用兩級(jí)輸送泵，一級(jí)泵為低汽蝕余量、高氣密性的屏蔽泵，二級(jí)泵為高揚(yáng)程的熱水輸送泵，并在出口裝了穩(wěn)壓罐、安全閥等裝置;第二部分為長度9km的輸送管線，為了模擬研究將來的遠(yuǎn)距離輸送水力工況，中間加了一座中繼泵站，設(shè)置在管線中間位置，中繼泵前后均設(shè)置了穩(wěn)壓罐;第三部分在末端的水熱分離裝置淡水出口，設(shè)置根據(jù)閥前壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)出水流量的調(diào)節(jié)閥和一個(gè)穩(wěn)壓罐，使閥前壓力維持在設(shè)定范圍之內(nèi)，保證高溫?zé)岬谌魏吻闆r下都不會(huì)汽化和超壓。

水熱分離部分

示范工程中的水熱分離部分設(shè)置了一臺(tái)吸收式換熱機(jī)組，由一臺(tái)熱水型吸收式熱泵和一臺(tái)水/水換熱器組成。熱淡水設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度95℃，在吸收式熱泵發(fā)生器、水/水換熱器和吸收式熱泵蒸發(fā)器中梯級(jí)降溫至23℃后，作為生活用水。熱網(wǎng)水進(jìn)口設(shè)計(jì)溫度40℃，在吸收式熱泵的吸收器、冷凝器和水/水換熱器中吸熱升溫至50℃，用于專家村接待中心采暖和泳池加熱。

示范工程運(yùn)行性能

示范工程于2021年3月正式投運(yùn)，開機(jī)1小時(shí)以后工況就基本穩(wěn)定，各參數(shù)與設(shè)計(jì)值基本吻合。本示范工程實(shí)際運(yùn)行性能經(jīng)過第三方檢測(cè)，所產(chǎn)淡水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）。

2021年5月11日，中國節(jié)能協(xié)會(huì)在海陽核電廠組織召開了“山東海陽核電廠水熱同產(chǎn)同送示范工程”專家研討會(huì)，專家認(rèn)為：海陽核電廠水熱同產(chǎn)同送示范工程，首次將水熱同產(chǎn)同送技術(shù)應(yīng)用于工程，證明了水熱同產(chǎn)同送技術(shù)是可行的，為該技術(shù)的進(jìn)一步深化研究和大規(guī)模工程應(yīng)用邁出了堅(jiān)實(shí)的關(guān)鍵一步。

下一步研究方向

在示范工程所研究流程的基礎(chǔ)上，工程將進(jìn)一步增加跨季節(jié)蓄熱水池，非采暖季熱水儲(chǔ)存在水池里面，采暖季與核電廠來水一起送給用戶。如果水熱分離后的低溫淡水在冬天用不完，可以送回水池，春天的時(shí)候再取出來用，從而實(shí)現(xiàn)水熱同儲(chǔ)。新系統(tǒng)可以使供熱/供水量增加三倍，設(shè)備利用率和經(jīng)濟(jì)性也得到改善。蓄熱水池還可以兼做系統(tǒng)調(diào)峰熱源，從而取消燃?xì)獾然茉凑{(diào)峰，實(shí)現(xiàn)零碳供熱。