核電站乏燃料水池小區(qū)供熱淺析

0 前言

三代核電站由于安全性的提升，在安全方面投入巨大。若要保證核電競爭力，三代核電站需持續(xù)提升經(jīng)濟(jì)性，其中提高熱效率和反應(yīng)堆利用率為提高經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)方法之一。

然而，核電站內(nèi)的乏燃料水池的熱量并沒有得到利用，一直以來，利用設(shè)備冷卻水及重要廠用水將其熱量排入大海中，不僅浪費了大量的熱量，而且還消耗了大量的廠用電。本文從乏燃料水池?zé)崃炕厥绽玫慕嵌?，對核電站乏燃料水池供熱進(jìn)行初步探討。

3)預(yù)制光纜兩端由密封帽或密封套管保護(hù)，敷設(shè)時不能打開，敷設(shè)到柜內(nèi)，安裝時再打開密封帽或密封套管并找到對應(yīng)的安裝位置固定。

1 乏燃料水池基本狀況

1.1 乏燃料水池基本參數(shù)及貯存情況

乏燃料水池用于貯存乏燃料組件，其內(nèi)部設(shè)置有燃料貯存格架和相關(guān)設(shè)備，池底及四壁均設(shè)有不銹鋼覆面，池內(nèi)充含硼水。乏燃料水池的剩余熱功率與貯存的乏燃料組件數(shù)量有關(guān)。某一核電項目的乏燃料格架貯存情況如下：采用分兩區(qū)貯存，共可貯存1 206 個組件，I 區(qū)378 個組件，間隔280 mm；II 區(qū)間隔250 mm，共828 個組件。正常貯存條件下，乏燃料水池中貯存13 次換料組件（884個組件）和換料停堆20天的1/3堆芯（68個組件）共952個組件所釋放的熱功率，最大剩余熱功率為3.50 MW。

通過對水源地六年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，考慮到水源地為河流，因此不對總氮進(jìn)行評價。2016年水源地各月水質(zhì)處于Ⅲ類～劣V類，水質(zhì)波動明顯。如果采用湖庫標(biāo)準(zhǔn)對總氮進(jìn)行評價，各月均為劣V類。水源地（不含總磷）各月水質(zhì)仍然處于Ⅲ類～劣V類，水質(zhì)波動明顯。分析多年數(shù)據(jù)可以看出，水源地每年的5～10月份（豐水期）水質(zhì)較差。

高溫水采暖系統(tǒng)供回水溫度常取130/70 ℃、130/80 ℃、110/70 ℃等。低溫水采暖系統(tǒng)的設(shè)計取回水溫度常取95/70 ℃、85/60 ℃、80/60 ℃等。依據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第4.2節(jié)供熱介質(zhì)參數(shù)：“熱力網(wǎng)供水溫度范圍為110~150 ℃”。城鎮(zhèn)采暖通常采用高溫水采暖系統(tǒng)，而低溫水采暖系統(tǒng)多用于建筑物內(nèi)進(jìn)行終采暖。按乏燃料水池當(dāng)前貯存溫度，正常貯存溫度不滿足熱水采暖系統(tǒng)的供回水溫度的最低要求。乏燃料水池水溫遠(yuǎn)低于城鎮(zhèn)熱力管網(wǎng)供水溫度要求，考慮到遠(yuǎn)距離輸送和二次換熱導(dǎo)致的熱損，實際到達(dá)用戶處的溫度會更低，不適于需進(jìn)行長距離傳輸?shù)某擎?zhèn)供熱。

1.2 乏燃料貯存時長

供熱量小是技術(shù)可行的主要限制條件，本部分熱量僅能滿足小用戶供熱的用量，不能滿足城鎮(zhèn)小區(qū)級別熱需求量。

時間來得及，我決定去看看一幅畫。畫中人是一個席地而坐的白發(fā)老農(nóng)，背景是一排爬著常綠藤蔓的籬笆架，基于某一種天然的熟悉感，我總覺得自己是在走近一個等待的輪廓。他坐在連接左邊一條田埂盡頭的臺階上，而我走的是右邊，離那幅畫的距離是一個四邊形荷塘的三條邊的周長，我是故意的，畢竟大多時候，看似漫不經(jīng)心的偶遇總要比別有用心的蓄謀更容易被接受。

采用乏燃料水池供熱回路參考華龍一號乏燃料水池冷卻系統(tǒng)三列冷卻列造價總計6 000 萬元，按一列冷卻列計取為2 000 萬元，運行成本主要為耗電量，供熱水泵的電機功率為90 kW，按24 h計，每天耗電量為2 160 kWh，按每度電1元計，一個供暖季160天，一個供暖季燃料成本為34.6萬元。

2 技術(shù)可行性論證

2.1 乏燃料水池供熱量

按供水溫度的高低，將熱水采暖系統(tǒng)分為高溫水采暖系統(tǒng)和低溫水采暖系統(tǒng)。各國高溫水與低溫水的界限不一樣。我國將設(shè)計供水溫度高于100 ℃的系統(tǒng)稱為高溫水采暖系統(tǒng)；設(shè)計供水溫度低于100 ℃的系統(tǒng)稱為低溫水采暖系統(tǒng)。高溫水采暖系統(tǒng)設(shè)計供回水溫差大，可減少管道系統(tǒng)管徑，降低輸送熱媒消耗的電能，節(jié)約運行費用；而低溫水采暖因供回水溫差小，與高溫水優(yōu)點相反，經(jīng)濟(jì)性上較差

。

2.2 熱水采暖系統(tǒng)的供回水溫度要求

乏燃料水池在正常貯存條件下最大剩余熱功率為3.5 MW，此時按乏燃料水池中貯存13 次換料組件（884 個組件）和換料停堆20 天的1/3 堆芯（68個組件）共952 個組件所釋放的熱功率計。實際乏燃料池中貯存的乏燃料組件量隨著換料次數(shù)的增加而增加，每次增加68 個組件。在換料少于13 次時，乏燃料水池在正常貯存條件下剩余熱功率遠(yuǎn)小于3.5 MW。乏燃料水池中組件的平均剩余熱功率估算約為1.75 MW，按貯存7次換料，共476個組件計，組件平均貯存年限按10 年計（1.5×6+1＝10年），熱量回收利用系數(shù)取60%，則可利用熱功率為1.05 MW，可供熱面積10 500 m

（50 W/㎡），約105戶（每戶按100 m

計），僅能滿足一棟高30層，每層4 戶樓房供熱，達(dá)不到小區(qū)的規(guī)模化供熱要求。總之，供熱容量小，供熱規(guī)模小。

乏燃料水池溫度的限值：正常運行工況下，假定對應(yīng)設(shè)備冷卻水35 ℃，正常一臺冷卻水泵和一臺熱交換器投運，乏燃料水池溫度可被限制于50 ℃。換熱大修工況，兩臺泵和兩臺熱交換器運行，可被限制于50 ℃以下。事故工況下，假定設(shè)備冷卻水為35 ℃，換料大修結(jié)束后出現(xiàn)事故需要全堆芯卸料的異常熱負(fù)荷工況下，兩臺泵和兩臺熱交換器投運，乏燃料水池溫度不超過60 ℃，一臺泵一臺熱交換器投運，乏燃料水池溫度不超過80 ℃。

2.3 技術(shù)可行性探討

根據(jù)前兩節(jié)分析，技術(shù)上主要限制條件為供熱量小和乏燃料水池溫度低。正常貯存下，乏燃料水池溫度限值為50 ℃，若要滿足低溫?zé)崴到y(tǒng)設(shè)計溫度要求，乏燃料水池溫度需提升到80~95 ℃。若上升到80~95 ℃，按工況分析，此時的溫度為設(shè)計基準(zhǔn)事故工況或者設(shè)計擴展工況，此處將挑戰(zhàn)核安全要求，在目前安全限值不放寬的前提下，提升乏燃料水池溫度不現(xiàn)實。

通過平臺化、共享化、集成化，實現(xiàn)了開發(fā)數(shù)據(jù)的自動實時采集，地質(zhì)模型的自我更新，開發(fā)趨勢的自我判斷和預(yù)警，開發(fā)方案自動比選和智能決策，改變了1 個研究人員、1 臺工作站、1 套專業(yè)軟件“三合一”傳統(tǒng)研究模式；大幅減少了管網(wǎng)場站配套建設(shè)規(guī)模，創(chuàng)建了中小型場站無人值守，大型場站少人值守的“王徐莊”模式。三年來，共撤銷計量間、配水間598 座，累計減少各類設(shè)備設(shè)施586 臺，減少油田生產(chǎn)管道2566 千米，進(jìn)一步優(yōu)化了勞動用工模式，勞動效率提升32%。

貯存容量綜合考慮了核電廠安全運行燃料貯存需求和乏燃料外運條件，即乏燃料組件在電廠內(nèi)貯存8~10年后，放射性物質(zhì)已充分衰變，燃料組件已充分冷卻，可以裝運出廠，同時考慮了我國燃料后端實際情況采取的保守設(shè)計。華龍一號頂層技術(shù)要求乏燃料貯存在現(xiàn)場乏燃料池內(nèi)，乏燃料水池至少能容納15 個換料周期累積的乏燃料組件加上一個完整堆芯的燃料組件。此處為便于估算乏燃料水池平均熱功率，采用乏燃料組件按貯存10 年（約7次換料貯存量，首次換料按12個月，以后換料周期為18個月計）后外運處理。

2.4 安全監(jiān)管風(fēng)險

乏燃料是安全重要物項，乏燃料水池是安全局監(jiān)管的核設(shè)施，尤其福島事故后乏燃料安全國際上也更為關(guān)注。在HAF102《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》中要求在運行狀態(tài)和與乏燃料水池有關(guān)的事故工況下，必須具有監(jiān)測和控制乏燃料水池水溫度和水位的手段。乏燃料水池的水位和溫度受到嚴(yán)格的監(jiān)管

。

從安全的角度上，URD、EUR 中均要求正常貯存條件下，乏燃料水池水溫度不超過50 ℃；換料期間，不超過60 ℃。若乏燃料水池水溫超過60 ℃將大大減少安全裕量，并且會引發(fā)運行事件或事故，需向核安全監(jiān)管機構(gòu)通報，因此，不推薦為供熱而提高乏燃料水池溫度去引發(fā)核安全事件或事故。同時，乏燃料水池需要配設(shè)施進(jìn)行冷卻，這些設(shè)施中很多設(shè)施是安全級的，在小區(qū)里實現(xiàn)有困難。另外，因乏燃料水池水存在一定的放射性，存在潛在放射性向小區(qū)擴散的安全風(fēng)險。

3 經(jīng)濟(jì)性論證

正常貯存條件下，乏燃料水池水溫不滿足城鎮(zhèn)水采暖系統(tǒng)的設(shè)計取回水溫度。在事故工況溫度限值下，乏燃料水池水溫也僅能滿足低溫水采暖系統(tǒng)的設(shè)計取回水溫度，但考慮到遠(yuǎn)距離輸送和二次換熱導(dǎo)致的熱損（核電廠與電廠外的熱負(fù)荷中心距離普遍較遠(yuǎn)），實際到達(dá)用戶處的溫度會更低。考慮到供熱量不滿足小區(qū)需求，還需要增加其他補充熱源，經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步降低。從經(jīng)濟(jì)上定性分析，將遠(yuǎn)低于普通的民用低溫水采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

采用乏燃料水池供熱需設(shè)置必要的供熱回路、換熱站、供熱管網(wǎng)。與燃煤/燃?xì)鈪^(qū)域鍋爐房供熱相比，主要差異點為熱源和換熱站前供熱回路不同。經(jīng)濟(jì)性論證主要對比分析供熱回路造價及消耗熱源情況。

供熱能力為1.2 MW區(qū)域鍋爐房供暖系統(tǒng)的燃煤/燃?xì)忮仩t及其附屬配件系統(tǒng)價格約60 萬元，消耗燃煤/燃?xì)獾某杀緝r根據(jù)經(jīng)驗約一個供暖季（計算按160 天計）為80 元/㎡。按供熱面積10 500 m

計，一個供暖季燃料成本為84萬元。

另外，乏燃料水池池水具備一定放射性，在正常運行時需不定期或長期投運凈化裝置，以去除放射性。若提升乏燃料水池溫度，可能會導(dǎo)致凈化裝置（要求60 ℃以下）無法投運，放射性擴散的風(fēng)險。

天津大學(xué)和道達(dá)公司聯(lián)合開發(fā)的新型一體化海上風(fēng)電測風(fēng)塔也利用吸力式基礎(chǔ)進(jìn)行輔助下沉和調(diào)平施工，如圖5所示。測風(fēng)塔架-浮體結(jié)構(gòu)-吸力式裙板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為一體的海上測風(fēng)塔組合結(jié)構(gòu)體系已應(yīng)用于江蘇和海南等8個海上風(fēng)電場的測風(fēng)工程，資源節(jié)約、環(huán)境友好，經(jīng)濟(jì)社會效益顯著，最遠(yuǎn)拖航距離為350 n mile(啟東—連云港)。

按使用年限為20年計，乏燃料水池供熱系統(tǒng)一回路估算成本為2 692萬元。區(qū)域鍋爐房供暖系統(tǒng)估算成本為1 740萬元。乏燃料水池供熱成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于區(qū)域鍋爐房供暖，并且此處并沒考慮安全級供熱站、可能較遠(yuǎn)的輸運成本。

4 結(jié)論及建議

乏燃料水池的剩余熱功率小，供熱規(guī)模小。初步估算可利用熱功率為1.05 MW，可供熱面積10 500㎡（50 W/㎡），約105 戶（每戶按100㎡計），僅能滿足一棟高30 層，每層4 戶樓房供熱，達(dá)不到小區(qū)的規(guī)?；嵋?。

乏燃料水池溫度低，能源品級低，正常貯存下，乏燃料水池溫度限值為50 ℃,無法滿足城鎮(zhèn)采暖取回水的溫度要求。在不突破乏燃料水池溫度安全限值的前提下，從技術(shù)上不可行。為供熱而提升乏燃料水池溫度，會帶來安全監(jiān)管問題，帶來的風(fēng)險遠(yuǎn)大于所帶來的收益。

經(jīng)初步經(jīng)濟(jì)性分析，當(dāng)使用年限為20年乏燃料水池供熱系統(tǒng)一回路估算費用為2 692萬元。區(qū)域鍋爐房供暖系統(tǒng)估算費用為1 740萬元。乏燃料水池供熱成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于區(qū)域鍋爐房供暖，并且此時沒考慮安全級供熱站、可能較遠(yuǎn)的輸運成本，乏燃料水池供熱系統(tǒng)因為高的安全要求帶來成本大幅度上升，經(jīng)濟(jì)性差。

此外，自媒體還盛行各種博眼球的“標(biāo)題黨”、販賣焦慮的流量王，唱衰中國、危言聳聽者，充當(dāng)商業(yè)打手者等劣跡更是不一而足。

總之，單獨的乏燃料水池剩余熱功率小，供熱規(guī)模小，溫度低并且安全溫度限制嚴(yán)格，屬于核安全風(fēng)險大、可利用能源品級低的能源產(chǎn)品，并不適于距離較遠(yuǎn)的小區(qū)供熱。

［1］陸亞俊，馬最良，鄒平華編.暖通空調(diào)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］HAF102-2016，核動力廠設(shè)計安全規(guī)定［S］.北京:核安全局，2016.