聚變發(fā)電站總平面布置優(yōu)化

李新凱，向魁，李華，朱光濤

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510663；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 等離子體物理研究所,安徽 合肥 230031）

2021 年9 月，中共中央國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，為實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，提出我國的綠色低碳循環(huán)發(fā)展的最終目標(biāo)：到2060 年綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系和清潔低碳安全高效的能源體系全面建立，能源利用效率達(dá)到國際先進(jìn)水平，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到80%以上。為實現(xiàn)該目標(biāo)，近年來我國一直致力于加快構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系，嚴(yán)格控制化石能源消費(fèi)。而以太陽能和風(fēng)能為代表的新能源發(fā)電“靠天吃飯”，具有波動性、隨機(jī)性、間歇性的不足，依然需要煤電發(fā)揮基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源的作用；我國富煤貧油少氣，天然氣發(fā)電不利于把能源的飯碗牢牢端在自己手里。核能作為一種清潔、高效、優(yōu)質(zhì)的能源，“積極、安全、有序發(fā)展核電”成為我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源供給安全、實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、應(yīng)對氣候變化的重要手段[1]。

我國核能發(fā)展長遠(yuǎn)目標(biāo)是發(fā)展核聚變技術(shù)[2]，從而基本上“永遠(yuǎn)”解決能源需求的矛盾，中國聚變工程試驗堆(CFETR)正是我國自主設(shè)計、研發(fā)用于發(fā)電應(yīng)用的核聚變堆型。廠區(qū)總平面布置統(tǒng)領(lǐng)著全廠各系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃，對于一個核電廠全生命周期的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著決定性的意義。本文通過對試驗堆工程概念設(shè)計過程中，廠區(qū)總平面布置所面臨的儲能系統(tǒng)選擇和布置進(jìn)行方案比較，初步探索聚變發(fā)電廠廠區(qū)總平面的布置方向。

1 核聚變發(fā)電廠工程方案簡介

1.1 工作原理及能量輸出特性

核聚變發(fā)電是一種利用原子核聚變反應(yīng)產(chǎn)生熱能，然后利用熱能發(fā)電的技術(shù)。聚變發(fā)電廠（Fusion Power Plant - FPP）是CFETR 的能量輸出裝置。CFETR運(yùn)行時的能量流程主拓?fù)浼軜?gòu)如圖1 所示，該圖展示了從托卡馬克主機(jī)熱源到發(fā)電并網(wǎng)的能量流程，發(fā)電廠子系統(tǒng)包含蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)、同步發(fā)電機(jī)和并網(wǎng)變壓器等組件，實現(xiàn)聚變堆輸出熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，最終轉(zhuǎn)換成電能、并輸送到電網(wǎng)的全過程。

圖1 CFETR 發(fā)電廠能量流程圖Fig.1 Energy flow chart of CRETR power plant

現(xiàn)階段的聚變堆發(fā)電具有如下特性：（1）聚變反應(yīng)以脈沖式進(jìn)行。受限于當(dāng)前的物理模型和材料特性，等離子體放電平頂段持續(xù)一段時間后，必須進(jìn)行短時停機(jī)再重新開始放電過程；（2）等離子體存在破裂可能。受限于等離子體運(yùn)行機(jī)制特性，等離子體放電存在著“破裂”的可能性，當(dāng)“破裂”發(fā)生時即出現(xiàn)熱淬滅，等離子體放電被迫中止。由于等離子體控制的復(fù)雜性，破裂或者其他不穩(wěn)定因素均會導(dǎo)致能量輸出不穩(wěn)定。

因此，為應(yīng)對聚變堆能量輸出不穩(wěn)定，現(xiàn)階段CFETR 的系統(tǒng)設(shè)計除參照傳統(tǒng)發(fā)電廠的汽機(jī)發(fā)電機(jī)配置外，機(jī)組配置集中體現(xiàn)了如下兩個方面特點(diǎn)：

1) 無論是運(yùn)行間隔還是等離子體破裂，都將導(dǎo)致一回路輸出能量斷崖式下跌，使得汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)急劇下降，無法繼續(xù)滿足機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的最低需求，從而導(dǎo)致停機(jī)。按照機(jī)組壽命和運(yùn)行要求，不允許存在該情況。而且，對電網(wǎng)沖擊也較大。因核島功率輸出的不穩(wěn)定性，工藝側(cè)需考慮設(shè)置中間儲能緩沖系統(tǒng)，以解決核島能量輸出波動問題，以確保汽輪機(jī)機(jī)組能夠安全、平穩(wěn)運(yùn)行，并能穩(wěn)定發(fā)電輸出。

2) CFETR 運(yùn)行期間，核島物理實驗需求不得受到常規(guī)島故障影響而停機(jī)，即要求考慮在常規(guī)島機(jī)組故障時，核島仍能正常工作。因此，為滿足核島不間斷運(yùn)行的要求，在核島側(cè)Tokamak 主機(jī)和蒸汽發(fā)生器間設(shè)置并聯(lián)的輔助散熱系統(tǒng)，當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生停機(jī)的工況，啟用輔助散熱系統(tǒng)，旁路蒸汽發(fā)生器，通過在一回路側(cè)并聯(lián)輔助散熱系統(tǒng)，持續(xù)導(dǎo)出核島熱量，確保核島正常運(yùn)行。

1.2 廠區(qū)總平面布置的變化

根據(jù)CFETR 能量輸出不穩(wěn)定的特性以及Tokamak 主機(jī)實驗不得受到常規(guī)島故障影響而停機(jī)的要求，CFETR 聚變發(fā)電廠工藝系統(tǒng)增設(shè)了中間儲能緩沖系統(tǒng)及輔助散熱系統(tǒng)。

輔助散熱系統(tǒng)是為滿足實驗需要而設(shè)置的系統(tǒng)，不是核聚變發(fā)電廠的必然配置。輔助散熱系統(tǒng)擬通過常規(guī)島旁路換熱器及相關(guān)管道連接至常規(guī)島的循環(huán)水供水系統(tǒng)，實現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下的核島堆芯熱量排出。換熱器的一次水為核島一回路工質(zhì)；二次水為循環(huán)冷卻水，循環(huán)冷卻水來自電站的循環(huán)水泵房。散熱系統(tǒng)可根據(jù)CFETR 所處廠址自然環(huán)境采用直流循環(huán)冷卻或二次循環(huán)冷卻，布置較為常規(guī)，本文不展開論述。

針對CFETR 能量輸出不穩(wěn)定問題，在概念設(shè)計過程中提出的解決方案是配套建設(shè)中間儲能緩沖系統(tǒng)?？稍偕茉窗l(fā)電項目同樣具有明顯的間歇性發(fā)電特征，而光熱儲發(fā)電一體化模式成為了有效的應(yīng)對方案。光熱發(fā)電最明顯的優(yōu)勢是在儲熱的配合下連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電，成為既可以承擔(dān)基本負(fù)荷，又可以承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)的電網(wǎng)友好發(fā)電類型[3]。目前塔式太陽能光熱發(fā)電項目通過配套建設(shè)儲熱系統(tǒng)已在國內(nèi)外均擁有成功的運(yùn)行經(jīng)驗，證明方案可行、可靠。為此，采用相對成熟、可靠的儲熱式中間儲能緩沖系統(tǒng)同樣成為現(xiàn)階段聚變堆發(fā)電的應(yīng)對方案。增加儲能（熱）區(qū)后的廠區(qū)總平面布置中面臨著如下問題：（1）儲熱介質(zhì)選擇；（2）不同儲熱介質(zhì)的儲量不同從而導(dǎo)致儲熱區(qū)占地出現(xiàn)巨大差異；（3）儲熱區(qū)占地占廠區(qū)用地比重大；（4）核電廠儲熱布置缺乏規(guī)范依據(jù)。

2 儲能系統(tǒng)布置方案

2.1 儲能系統(tǒng)技術(shù)路線

近年隨著儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及儲能技術(shù)不斷突破，諸如儲熱技術(shù)、氫儲能技術(shù)、壓縮空氣儲能等大量技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了較大規(guī)模的示范應(yīng)用。儲熱技術(shù)不僅從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可以實現(xiàn)規(guī)?；?，同時具有能量密度高、壽命長、利用方式多樣、綜合熱利用效率高的優(yōu)點(diǎn)[4]，在儲能工程中得以廣泛應(yīng)用。眾多儲熱材料中，顯熱儲熱技術(shù)成熟、操作簡單、是目前應(yīng)用最廣泛的儲熱方式之一，其中導(dǎo)熱油、熔鹽等物質(zhì)常常應(yīng)用于中高溫領(lǐng)域（>120℃），是CFETR 中間儲能緩沖系統(tǒng)的現(xiàn)階段較為理想的儲熱介質(zhì)。

發(fā)電機(jī)組的熱循環(huán)效率取決于驅(qū)動汽輪機(jī)的蒸汽溫度，而CFETR 中的蒸汽溫度取決于隔離包層的冷卻劑溫度，汽輪機(jī)參數(shù)必須與包層的設(shè)計方案兼容。本工程在設(shè)計中核島提供的主蒸汽按隔離包層的不同，分別按飽和蒸汽與過熱蒸汽兩種方式考慮，相對應(yīng)儲熱工質(zhì)、儲熱工質(zhì)特性等主要參數(shù)如表1所示。

表1 儲能系統(tǒng)參數(shù)表Tab.1 Parameters of energy storage system

以方案一為例，增加儲能系統(tǒng)后的核島一回路及儲熱工質(zhì)回路的運(yùn)行原理如圖2 所示，實際上是在一回路到二回路之間，增加一個換熱儲能的過程，該系統(tǒng)起到了緩沖和蒸汽穩(wěn)壓的雙重作用。

圖2 儲能系統(tǒng)熱力運(yùn)行示意圖Fig.2 Schematic diagram of energy storage system operation

2.2 儲能系統(tǒng)布置方案

針對儲能系統(tǒng)儲熱工質(zhì)參數(shù)，根據(jù)我國現(xiàn)行《建筑設(shè)計防火規(guī)范》關(guān)于生產(chǎn)火災(zāi)危險性的分類[5]及《塔式太陽能光熱發(fā)電站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于儲熱區(qū)域布置的要求[6]，兩個方案的儲熱工質(zhì)布置要求確定如表2 所示：

表2 儲熱工質(zhì)布置原則Tab.2 Layout principles of heat storage materials

通過排列組合方式，分析儲熱區(qū)與核島、常規(guī)島的布置關(guān)系，初步篩選出3 種方案作為總平面布置的研究方向，如圖3 所示。

圖3 核島、常規(guī)島及儲熱區(qū)布置關(guān)系圖Fig.3 Layout diagram of NI,CI& heat storage area

根據(jù)核電廠原則性熱力系統(tǒng)，核島的蒸汽發(fā)生器把二回路的給水加熱成蒸汽，蒸汽通過汽輪機(jī)把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再推動發(fā)電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)換成電能。為減少熱能在傳遞過程中的損失，常規(guī)島與核島緊鄰布置的方式最為合理，在現(xiàn)有各種技術(shù)路線的核電總平面布置來看，兩者均是如此布置。因此，圖3核島、常規(guī)島及儲熱區(qū)布置關(guān)系圖中的方案(c)將核島與常規(guī)島隔離，增加了二回路管道的長度，降低了熱能傳遞效率，布置格局不合理，不再考慮該方案的格局。

2.3 總平面布置方案

根據(jù)假定的建廠條件，本概念設(shè)計按沿海廠址考慮。本工程建設(shè)1 臺350 MWe 級（暫定）核聚變堆核電機(jī)組（預(yù)留1 臺汽機(jī)擴(kuò)建），并設(shè)置中間儲能緩沖系統(tǒng)、常規(guī)島及其BOP 工藝系統(tǒng)，常規(guī)島采用海水直流冷卻方式。

根據(jù)功能要求，核電站廠區(qū)分為四個區(qū)域：主廠房區(qū)、輔助生產(chǎn)區(qū)、開關(guān)站區(qū)及廠前建筑區(qū)。其中輔助生產(chǎn)區(qū)、開關(guān)站區(qū)及廠前建筑區(qū)與現(xiàn)有的核電廠布置無原則區(qū)別，廠區(qū)總平面將對主廠房區(qū)的不同布置方案進(jìn)行重點(diǎn)研究。

根據(jù)儲熱工質(zhì)的不同，以及儲熱區(qū)與核島、常規(guī)島的布置關(guān)系不同，通過配對組合方法，主廠房區(qū)的布置關(guān)系共設(shè)計出如表3 所列的4 個方案。

表3 布置組合方案表Tab.3 Combination schemes of layout

1) 方案一

本方案主廠房區(qū)的核島、常規(guī)島及儲熱區(qū)呈三角形布置，如圖4 所示。兩組導(dǎo)熱油儲熱區(qū)獨(dú)立布置在核島及常規(guī)島的東側(cè)。主廠房區(qū)總占地約21.35 hm2。

圖4 方案一Fig.4 Scheme 1

2) 方案二

本方案主廠房區(qū)的核島、常規(guī)島及儲熱區(qū)呈三角形布置，如圖5 所示。由于Solar salt 熔融鹽儲熱區(qū)占地較小，可就近布置在核島輔助廠房的南側(cè)。主廠房區(qū)總占地約14.97 hm2。

圖5 方案二Fig.5 Scheme 2

3) 方案三

本方案主廠房區(qū)的儲熱區(qū)、核島及常規(guī)島采用順列串聯(lián)方式布置，如圖6 所示。導(dǎo)熱油儲熱區(qū)布置在核島的北側(cè)。主廠房區(qū)總占地約21.64 hm2。

圖6 方案三Fig.6 Scheme 3

4) 方案四

本方案主廠房區(qū)的儲熱區(qū)、核島及常規(guī)島采用順列串聯(lián)方式布置，如圖7 所示。導(dǎo)熱油儲熱區(qū)布置在核島的北側(cè)。主廠房區(qū)總占地約16.10 hm2。

圖7 方案四Fig.7 Scheme 4

2.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

決定總平面布置方案優(yōu)劣因素很多，本次概念設(shè)計的總平面從布置格局、占地、工藝流程、分期建設(shè)、運(yùn)行檢修、輻射防護(hù)等方面進(jìn)行了技術(shù)比較，比較結(jié)果如表4 所示。

表4 方案技術(shù)比較表Tab.4 Comparison of technology schemes

基于設(shè)計深度以及上述4 個布置方案占地對本項目建設(shè)投資影響有限，本次經(jīng)濟(jì)比較僅對導(dǎo)熱油儲能及熔融鹽儲能兩種儲熱方式下的項目投資進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表5 所示。

表5 儲熱方案經(jīng)濟(jì)比較表Tab.5 Economic comparison of heat storage schemes

2.5 小結(jié)

一方面，采用熔融鹽儲能的方案可以為汽機(jī)提供參數(shù)更高的過熱蒸汽，機(jī)組的發(fā)電功率及效率更高；熔融鹽儲能區(qū)的占地同比減少約3/4，核電廠的總平面布置緊湊、靈活；在工程初投資方面，熔融鹽儲方案占有絕對的優(yōu)勢。

另一方面，高溫熔融鹽先天具有的腐蝕問題，在運(yùn)行的生命周期內(nèi)必然面臨著比導(dǎo)熱油方案更為突出的管道、設(shè)備更換問題。從輻射防護(hù)及實體保衛(wèi)等角度考慮，可能出現(xiàn)的儲能系統(tǒng)設(shè)備及管道的更換工作在核電站實施變得異常復(fù)雜，導(dǎo)熱油方案又顯得優(yōu)勢明顯。

儲熱區(qū)與核島、常規(guī)島可采用三角形布置及串聯(lián)布置，兩種方案都能很好地滿足全廠熱力系統(tǒng)及儲能系統(tǒng)熱力運(yùn)行流向。在工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)核電廠的建設(shè)規(guī)模、用地條件、取排水條件等綜合比較后確定。

3 結(jié)論

儲能技術(shù)路線及儲能區(qū)的布置是聚變發(fā)電廠區(qū)[7-8]別于現(xiàn)有核電廠總平面布置關(guān)鍵因素，對聚變發(fā)電廠工藝流程、分期建設(shè)、運(yùn)行檢修、輻射防護(hù)等的合理規(guī)劃及實施起著重要的作用。本次概念設(shè)計提出的三角形布置及串聯(lián)式布置均能很好地適應(yīng)新增加的儲能系統(tǒng)熱力運(yùn)行，但具體方案的選擇仍要根據(jù)項目的具體情況比較后確定。

聚變發(fā)電剛剛步入工程概念試探的起點(diǎn)，隨著研究及實踐的不斷深入，能量輸出不穩(wěn)定的解決思路必然會越加清晰。隨著近年各類儲能技術(shù)的探索與工程上的應(yīng)用以及新型儲熱材料的研發(fā)，能量密度高，腐蝕性低、性能穩(wěn)定、成本低的儲熱材料也會不斷面世，能更好地與核電廠“安全第一”[9]、經(jīng)濟(jì)可靠建設(shè)方針相適應(yīng)。先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、可靠的儲能方案也會為聚變發(fā)電廠商運(yùn)營提供優(yōu)質(zhì)的配套，實現(xiàn)核聚變發(fā)電的安全、平穩(wěn)輸出，為全人類提供用之不斷的終極能源解決方案。