核電機(jī)組核能供熱工程實(shí)踐效益分析

王紅福，高鈺文，徐艷鳳，楊志剛

（山東核電有限公司，山東 海陽 265116）

0 引言

利用大型壓水堆機(jī)組進(jìn)行供熱在國際上已有成熟經(jīng)驗(yàn)，如俄羅斯、瑞士、芬蘭等國家從20世紀(jì)六七十年代開始進(jìn)行核能供熱技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，其技術(shù)路線包括抽汽供熱與單純供熱兩種方式，核能供熱的安全性與可靠性已經(jīng)得到驗(yàn)證。

利用核能供熱一直是我國核能綜合利用研究的一個(gè)重要方向[1-3]。國內(nèi)自20世紀(jì)80年代開始有核能供熱技術(shù)的研究及應(yīng)用。國內(nèi)大學(xué)及各設(shè)計(jì)院，針對(duì)核能供熱分別推出不同類型的核供熱堆或熱電聯(lián)供堆[4-6]，例如清華的200 MWt低溫供熱堆、國家電投中央研究院的HAPPY200低溫供熱堆，上海核工院的CAP200熱電聯(lián)供堆，中核集團(tuán)的燕龍供熱堆等，但尚未有商用項(xiàng)目建成。目前國內(nèi)已投運(yùn)的大型核電機(jī)組中，僅有紅沿河核電、海陽核電及秦山核電等機(jī)組為廠內(nèi)建筑物供熱，尚未有對(duì)外商業(yè)供熱實(shí)踐。

核能供熱相比于其他清潔供熱方式，具有低碳清潔、供熱成本低、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢，是當(dāng)前不可多得的、較為成熟的替代一次能源、滿足大規(guī)模集中供熱基本負(fù)荷需求的方法，蘊(yùn)藏著巨大的市場空間。核電廠在供電的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)供熱，可以進(jìn)一步提高核電廠熱能的綜合利用率，環(huán)保效益更加明顯。國家發(fā)展清潔取暖、降低煤炭消費(fèi)總量的政策，為核能供熱提供了政策支持。本文以某核電機(jī)組核能供熱示范項(xiàng)目為例，對(duì)核能供熱的原理、運(yùn)行參數(shù)、實(shí)施效果等方面進(jìn)行探討，實(shí)踐證明了該方案的可行性。

1 某核電一期工程核能供熱介紹

某核電一期工程核能供熱示范項(xiàng)目，利用核電機(jī)組輔助蒸汽系統(tǒng)為所在城市7×105m2熱用戶供熱。該項(xiàng)目利用第三代核電機(jī)組具有的更高的安全性和更靈活的負(fù)荷跟蹤特性等優(yōu)勢，參考國內(nèi)外核能供熱經(jīng)驗(yàn)，率先進(jìn)行了大型壓水堆核電廠商用供熱示范項(xiàng)目的研究和實(shí)施，在核電廠區(qū)內(nèi)設(shè)置供熱首站。首站內(nèi)設(shè)置熱網(wǎng)加熱器，廠區(qū)的輔助蒸汽系統(tǒng)通過加熱器加熱循環(huán)水，循環(huán)水泵將加壓加熱后的循環(huán)水供至廠外一級(jí)熱力站，蒸汽在加熱器內(nèi)放熱凝結(jié)后的疏水回收至凝汽器。供熱原理示意圖如圖1所示。

圖1 核能供熱原理示意圖

該項(xiàng)目僅對(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)及核安全無影響，供熱系統(tǒng)啟停、熱負(fù)荷變化等對(duì)反應(yīng)性調(diào)節(jié)均無影響。在極端情況下，蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂，機(jī)組輻射監(jiān)測儀表發(fā)出報(bào)警信號(hào)，機(jī)組將停止運(yùn)行，放射性輻射不會(huì)外泄。在更極端的情況下，蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂，恰逢熱網(wǎng)加熱器發(fā)生泄漏，也將因熱網(wǎng)循環(huán)水側(cè)壓力高于加熱器蒸汽側(cè)壓力，供熱管網(wǎng)的循環(huán)水將泄漏至蒸汽或疏水側(cè)，而放射性物質(zhì)不會(huì)外泄。在上述多重屏障的基礎(chǔ)上，可確保放射性物質(zhì)不傳向熱用戶。

2 核能供熱近況統(tǒng)計(jì)分析

從2019年冬季開始，該核電廠實(shí)施核能供熱。2019—2020年供熱期為2019-11-15至2020-03-15。2020—2021年供熱期為2020-11-14至2021-03-29。圖2—5分別為兩個(gè)冬季核能供熱蒸汽流量、氣溫、核能供熱的熱功率、影響發(fā)電功率變化趨勢。表1為兩個(gè)冬季核能供熱主要參數(shù)與設(shè)計(jì)值對(duì)比。由圖2—5及表1可見：

表1 兩個(gè)冬季核能供熱主要參數(shù)

圖2 2019—2020年核能供熱蒸汽流量和氣溫變化趨勢

圖3 2019—2020年核能供熱功率和影響發(fā)電功率變化趨勢

圖4 2020—2021年核能供熱蒸汽流量和氣溫變化趨勢

圖5 2020—2021年核能供熱功率和影響發(fā)電功率變化趨勢

1）核能供熱的熱功率與核能供熱輔助蒸汽流量成正比，供熱功率、輔助蒸汽流量與大氣溫度成反比。1月份大氣日平均溫度最低，核能供熱功率、核能供熱輔汽流量最高；11月份及3月份大氣日平均溫度最高，核能供熱功率、核能供熱輔汽流量最低。

2）核能供熱蒸汽流量、核能供熱功率、影響發(fā)電功率較為穩(wěn)定，均值比較接近。核電機(jī)組兩個(gè)供熱期均值：核能供熱蒸汽流量分別為35.7 t∕h和 34.5 t∕h；核能供熱功率分別為25.6 MWt和24.7 MWt；影響發(fā)電功率分別為6.6 MWe和6.4 MWe。

3）按照理論計(jì)算，供熱面積為7×105m2時(shí)，年供熱量設(shè)計(jì)值為2.65×105GJ。2019—2020年冬季熱負(fù)荷為2.69×105GJ，2020—2021年冬季熱負(fù)荷為2.88×105GJ，實(shí)際熱負(fù)荷高于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，滿足供熱需求。

4）按照設(shè)計(jì)采暖熱指標(biāo)及蒸汽參數(shù)，供熱面積為7×105m2時(shí)，供熱蒸汽最大流量為46.2 t∕h，平均流量為35 t∕h。當(dāng)前輔助蒸汽的裕量為50 t∕h，輔助電鍋爐備用容量為70 t∕h，由此可見熱源側(cè)蒸汽容量充足，可滿足7×105m2居民采暖需要，運(yùn)行抽汽參數(shù)總體平穩(wěn)。

3 核能供熱實(shí)施效果分析

3.1 供熱穩(wěn)定且故障率低

核能供熱輔助蒸汽汽源為1號(hào)和2號(hào)機(jī)組主蒸汽及輔助電鍋爐。兩臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，可由任意一臺(tái)機(jī)組供熱，供熱機(jī)組故障時(shí)切換至另一臺(tái)機(jī)組提供輔助蒸汽，兩臺(tái)機(jī)組互為備用。輔助電鍋爐可以隨時(shí)投入運(yùn)行，熱力公司熱水鍋爐保持冷態(tài)備用，進(jìn)一步提高了核能供熱的可靠性。據(jù)熱力公司反饋，故障率由之前的1.63%降為0.38%。采用核電廠供熱故障率大幅下降，提高了供熱可靠性；熱用戶室內(nèi)溫度提升明顯，采暖質(zhì)量提高，投訴率降低。

3.2 供熱設(shè)備安全可靠

加熱蒸汽來自常規(guī)島，不影響核安全，對(duì)核島總參數(shù)、運(yùn)行瞬態(tài)及核安全無影響。二回路蒸汽經(jīng)隔絕屏障后將熱量傳遞給熱用戶，熱網(wǎng)循環(huán)水側(cè)壓力高于二回路供熱輔助蒸汽壓力，可防止放射性輻射釋放至熱用戶。2019—2021年供熱設(shè)備總體運(yùn)行平穩(wěn)，未發(fā)生熱網(wǎng)加熱器泄漏等情況。

3.3 減少環(huán)境污染

該核電機(jī)組供熱示范項(xiàng)目的投運(yùn)可替代該地區(qū)熱力公司現(xiàn)有的29 MW燃煤鍋爐，每年供熱季可替代標(biāo)準(zhǔn)煤量11 128 t，減排107.2 t煙塵、184.1 t二氧化硫、1 74.0 t氮氧化物及2.7×104t二氧化碳，減排效果顯著，有效保護(hù)環(huán)境。

3.4 提高了能源綜合利用效率

在現(xiàn)階段發(fā)電能力嚴(yán)重過剩的情況下，冬季電力負(fù)荷需求受限，會(huì)出現(xiàn)核電機(jī)組調(diào)峰情況。利用核電機(jī)組供熱可進(jìn)一步提高設(shè)備利用小時(shí)數(shù)，提升機(jī)組整體熱效率。該核電廠核能供熱示范項(xiàng)目投運(yùn)后，全廠熱效率由36.69%提升為37.17%。

3.5 實(shí)現(xiàn)大體量長距離供熱

該核電廠一期核能對(duì)外供熱工程一次規(guī)劃，分步實(shí)施。目前已完成利用現(xiàn)有廠區(qū)輔助蒸汽系統(tǒng)對(duì)所在城市7×105m2面積供熱，取得良好收益。下一步通過汽輪機(jī)抽汽對(duì)所在城市4.5×106m2面積實(shí)現(xiàn)大體量長距離供熱。

3.6 節(jié)省人力資源成本

對(duì)采用核能供熱前后熱力公司人員配置進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果如表2所示。由表可知，因直接采用核電廠提供的蒸汽，無需鍋爐加熱，運(yùn)行更加簡化，熱力公司人員配置較往年減少20人。核電廠供熱首站新增5名供熱值班員，總計(jì)可減少15人?？梢?，核能供熱可減少用工數(shù)量，節(jié)省了人力資源成本。

表2 熱力公司核能供熱前后人員配置對(duì)比

4 結(jié)語

某核電廠核能供熱項(xiàng)目各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)值要求，參數(shù)穩(wěn)定，總體運(yùn)行平穩(wěn)，供熱質(zhì)量提高，居民采暖可靠性提升，熱用戶投訴率降低。核能供熱項(xiàng)目提高了能源綜合利用效率，減排效果顯著。長遠(yuǎn)來看，隨著后續(xù)機(jī)組的建設(shè)投產(chǎn)，該核電廠可實(shí)現(xiàn)長距離供熱，滿足大規(guī)模集中供熱基本負(fù)荷需求，進(jìn)一步提高運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。