南方核能余熱供暖應(yīng)用實(shí)踐

王 肖，紀(jì)相財(cái)，王 斌，費(fèi)洲華

(浙江城建煤氣熱電設(shè)計(jì)院股份有限公司，浙江 杭州 310030)

1 概述

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平提高以及冬季極寒天氣頻繁出現(xiàn)，南方部分地區(qū)居民集中供暖訴求日益強(qiáng)烈，嘉興、武漢、合肥、長沙、成都等地已建成集中供暖試點(diǎn)項(xiàng)目。南方地區(qū)如武漢、南京等地主要采用燃?xì)忮仩t或燃?xì)夥植际侥茉催M(jìn)行集中供暖。

根據(jù)《2020年城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《2020年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，截至2020年底，全國集中供熱面積達(dá)122.66×108m2，較2019年增長約7.8×108m2。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《2021年中國城市建設(shè)狀況公報(bào)》，截至2021年底，全國城市集中供熱面積106.03×108m2，同比增長7.30%。根據(jù)我國在減緩氣候變化方面的“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略部署，要在2030年之前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，力爭2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。在巨大的減排壓力下，我國需要積極尋找清潔低碳熱源來滿足當(dāng)下不斷增長的供熱需求。核能具有清潔、近零碳等特點(diǎn)，核能碳排放量僅為16 g/(kW·h)，與可再生能源相當(dāng)，是當(dāng)前可以因地制宜開展大規(guī)?；茉刺娲那鍧嵉吞寄茉?。不同能源品種的碳排放量見表1。

國內(nèi)外已經(jīng)針對核能供熱的可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響等進(jìn)行了大量理論研究和實(shí)踐檢驗(yàn)。

表1 不同能源品種的碳排放量

早在1954年，前蘇聯(lián)首次啟用10 MW的實(shí)驗(yàn)供熱堆型AST-500，并發(fā)展了核能供熱技術(shù)[1-2]；我國于1989年開發(fā)了5 MW的供熱堆型NHR-5，連續(xù)安全運(yùn)行100 d并順利完成首次供暖任務(wù)[3]。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)發(fā)布的核電運(yùn)行數(shù)據(jù)，截至2020年底，全球在運(yùn)核電機(jī)組中共有55臺進(jìn)行區(qū)域供熱(裝機(jī)容量133.06 GW)，31臺機(jī)組進(jìn)行工業(yè)供熱(裝機(jī)容量73.33 GW)，供熱安全性得到充分證明。

《2030年前碳達(dá)峰行動方案》和《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》均提出開展核能綜合利用示范。核能余熱供暖是利用核電站輔助蒸汽進(jìn)行核能綜合利用，提高了核能利用效率，滿足了不斷增長的居民供暖需求，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益顯著。

2 總體技術(shù)方案

秦山核電核能余熱供暖一期工程利用核電站反應(yīng)堆輔助蒸汽為秦山核電46×104m2自有生活區(qū)進(jìn)行集中供暖，目前一期工程已經(jīng)順利建成并投產(chǎn)，并于2021—2022年供暖期順利完成了供暖任務(wù)。

2.1 設(shè)計(jì)供暖年耗熱量

根據(jù)CJJ/T 34—2022《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)計(jì)供暖年耗熱量計(jì)算式為：

(1)

t——供暖期時間，d，取99 d

Φh——設(shè)計(jì)供暖熱負(fù)荷，kW，為19 200 kW

θi——室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃，取18 ℃

θa——供暖室外平均溫度，℃，取5.2 ℃

θo,h——供暖室外計(jì)算溫度，℃，取-0.7 ℃

經(jīng)計(jì)算，得出設(shè)計(jì)供暖年耗熱量為11.25×104GJ/a。

2.2 熱源選擇

核電站蒸汽熱源一般有高壓缸排汽和輔助蒸汽。高壓缸排汽方案不僅會影響機(jī)組發(fā)電出力，還可能會改變汽輪機(jī)組本體結(jié)構(gòu)，需重新進(jìn)行汽輪機(jī)推力平衡計(jì)算，方案較為復(fù)雜。輔助蒸汽方案相對簡單。

因此核能余熱供暖工程采用輔助蒸汽作為熱網(wǎng)循環(huán)水加熱熱源，輔助蒸汽壓力為1.2 MPa，溫度為188 ℃。

2.3 供熱管網(wǎng)

核能余熱供暖工程設(shè)置兩級換熱站，采用閉式雙管制系統(tǒng)，將熱源側(cè)的輔助蒸汽熱能經(jīng)蒸汽隔離回路、熱網(wǎng)循環(huán)水回路、用戶循環(huán)水回路送至用戶側(cè)。核能供熱管網(wǎng)流程見圖1。

圖1 核能供熱管網(wǎng)流程

熱源側(cè)的輔助蒸汽進(jìn)入換熱首站，通過換熱首站汽水換熱器產(chǎn)生高溫?zé)崴椭列^(qū)換熱站，通過小區(qū)換熱站水水換熱器產(chǎn)生熱水送至用戶側(cè)，實(shí)現(xiàn)居民集中供暖。

2.4 供熱調(diào)節(jié)

對于只有供暖熱負(fù)荷且只有單一熱源的熱水供熱系統(tǒng)，應(yīng)在熱源處根據(jù)室外溫度變化進(jìn)行集中質(zhì)調(diào)節(jié)或集中質(zhì)量調(diào)節(jié)。質(zhì)調(diào)節(jié)基于用供熱介質(zhì)溫度的調(diào)節(jié)適應(yīng)室外溫度變化來保持用戶室內(nèi)溫度不變的原理，不改變循環(huán)流量，優(yōu)點(diǎn)是供暖期大部分時間運(yùn)行水溫較低，可充分利用汽輪機(jī)低壓抽汽，提高熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。質(zhì)量調(diào)節(jié)中，供水溫度和管網(wǎng)流量隨天氣變冷而逐漸加大，可降低循環(huán)水泵耗電量，但操作復(fù)雜。

核能余熱供暖工程主要采用分階段量調(diào)節(jié)與質(zhì)調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式，當(dāng)負(fù)荷變化較大時采用量調(diào)節(jié)，負(fù)荷波動范圍較小時采用質(zhì)調(diào)節(jié)，在盡可能降低水泵功耗的情況下，充分利用汽輪機(jī)的低壓抽汽，提高熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

3 核能供熱安全性及防護(hù)措施

核能供熱有別于常規(guī)熱電廠供熱，為保證核電站和供熱系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提供可靠的清潔能源，核安全是首要考慮的因素。通過建立并保持對放射性危害的有效防御，保護(hù)人員、社會和環(huán)境不受輻射帶來的危害。

核電站已有的安全防護(hù)措施可確保廠區(qū)人員、公眾和環(huán)境的安全。核能余熱供暖工程在核電站已有防護(hù)措施基礎(chǔ)上，繼續(xù)采取多重防護(hù)措施，做到有效隔離核輻射。

3.1 核能供熱對核電站核安全的影響

核電站在放射性裂變產(chǎn)物與環(huán)境之間會設(shè)置3道安全屏障進(jìn)行縱深防御。3道安全屏障是燃料基體和燃料包殼、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界、安全殼。新增供熱系統(tǒng)后不會影響核電站原有的3道安全屏障，也不會影響核電機(jī)組原有設(shè)計(jì)對放射性產(chǎn)物的包容性。當(dāng)核電站原有安全屏障失效時，通過正常運(yùn)行時的放射性監(jiān)測、傳熱管破裂時事故處理及隔離回路設(shè)計(jì)等措施，可有效防止放射性物質(zhì)通過供熱系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)散[4]。

3.2 多級非接觸隔離回路

秦山核電機(jī)組正常運(yùn)行時輔助蒸汽回路無放射性，但存在潛在放射性，根據(jù)HAF 102—2016《核動力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》，輔助蒸汽不可直接引出核電站?？紤]到回路隔離是核能供熱中普遍采用的放射性隔離的有效措施，核能余熱供暖工程在核電站已有隔離回路的基礎(chǔ)上，繼續(xù)采用表面式換熱器設(shè)置兩級隔離回路，確保供熱過程中僅有熱量交換，無供熱介質(zhì)交換，保證水質(zhì)安全。核能余熱供暖原理見圖2。

圖2 核能余熱供暖原理

由圖2可以看出，核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能首先通過冷卻劑回路進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，后經(jīng)廠內(nèi)蒸汽隔離回路進(jìn)入廠內(nèi)換熱首站，再經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)水回路將熱能傳遞至小區(qū)換熱站，最后通過小區(qū)換熱站的二次側(cè)閉式循環(huán)水系統(tǒng)完成核能余熱供暖過程。

當(dāng)蒸汽發(fā)生器發(fā)生破管事故時，核電站原有設(shè)計(jì)會提供相關(guān)保護(hù)措施，包括核反應(yīng)堆停堆、冷卻劑回路自動降溫降壓等，終止冷卻劑回路中放射性物質(zhì)向蒸汽隔離回路泄漏；破管事故發(fā)生后，將會隔離蒸汽隔離回路，蒸汽隔離回路與熱網(wǎng)循環(huán)水回路同時切斷，防止蒸汽隔離回路放射性物質(zhì)泄漏至熱網(wǎng)循環(huán)水回路，同時也阻止了熱網(wǎng)循環(huán)水回路的循環(huán)水流向用戶循環(huán)水回路，實(shí)現(xiàn)物理隔離。即使所有熱交換器都出現(xiàn)泄漏，也可以通過關(guān)閉所有管路上的閥門來終止泄漏，實(shí)現(xiàn)有效的物理隔離。

3.3 壓差回路

核能余熱供暖系統(tǒng)正常運(yùn)行時，蒸汽隔離回路的輔助蒸汽壓力為1.2 MPa，低于熱網(wǎng)循環(huán)水回路供水壓力(1.6 MPa)。若換熱首站汽水換熱器發(fā)生小范圍泄漏，同時輔助蒸汽受到輻射污染，泄漏方向?yàn)闊峋W(wǎng)循環(huán)水流向蒸汽側(cè)，受污染的輔助蒸汽無法進(jìn)入熱網(wǎng)循環(huán)水回路中。

通過設(shè)計(jì)壓差回路，熱網(wǎng)側(cè)壓力高于熱源側(cè)壓力，確保正常運(yùn)行工況和事故工況下放射性物質(zhì)均不會泄漏至熱網(wǎng)循環(huán)水回路中。

3.4 放射性監(jiān)測

核電站已有的蒸汽隔離回路放射性監(jiān)測裝置覆蓋蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)、凝汽器抽真空系統(tǒng)，通過設(shè)置放射性監(jiān)測儀表，當(dāng)蒸汽隔離回路蒸汽含有放射性時，放射性監(jiān)測儀表能夠及時探測報(bào)警并切斷相關(guān)回路，防止蒸汽隔離回路蒸汽中的放射性物質(zhì)擴(kuò)散到環(huán)境中。

在核電站原有放射性監(jiān)測裝置基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目在換熱首站的熱網(wǎng)水供水側(cè)設(shè)置了在線放射性監(jiān)測裝置、取樣裝置、緊急切斷閥等。

放射性監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩級報(bào)警，當(dāng)放射性濃度觸發(fā)一級報(bào)警時，對熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行手動取樣分析；當(dāng)放射性濃度觸發(fā)二級報(bào)警時，立即切斷熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)，并連鎖切斷輔助蒸汽供應(yīng)，確保用戶循環(huán)水回路不被污染。

4 運(yùn)行實(shí)踐

4.1 運(yùn)行效果

2021年12月3日，秦山核能供熱示范工程在海鹽縣正式投運(yùn)，惠及近4 000戶居民。2021—2022年供暖期，熱網(wǎng)循環(huán)水放射性物質(zhì)監(jiān)測值均處于合格范圍，未觸發(fā)報(bào)警，也未發(fā)生破管事故，供暖系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)。

通過對2021—2022年供暖期換熱首站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，供暖期平均供暖熱負(fù)荷為19.4 MW，與設(shè)計(jì)供暖熱負(fù)荷19.2 MW基本一致；實(shí)際供暖年耗熱量為11.02×104GJ/a，接近設(shè)計(jì)供暖年耗熱量11.25×104GJ/a。首站供回水溫度隨室外日平均溫度變化見圖3。

圖3 首站供回水溫度隨室外日平均溫度變化

由于2021—2022年供暖期負(fù)荷波動較小，運(yùn)行中主要采取階段質(zhì)調(diào)節(jié)方式，供回水溫差總體保持穩(wěn)定，滿足居民用熱需求。

4.2 環(huán)境效益

目前海鹽縣大部分生活區(qū)采用燃?xì)忮仩t供暖，燃?xì)鉄崮軟]有得到有效的梯級利用，盡管天然氣的碳排放量顯著低于煤炭，但天然氣的碳排放量仍然很高，為469 g/(kW·h)，是核能碳排放量的29.3倍。

通過開展核能余熱供暖，不僅實(shí)現(xiàn)了核能梯級利用，提高了核能利用效率，同時也減少了碳排放，核能余熱供暖工程2021—2022年供暖期實(shí)際供暖年耗熱量為11.02×104GJ/a，年代替標(biāo)準(zhǔn)煤3 747 t/a，年減少碳排放9 817 t/a。

4.3 社會效益

秦山核電核能余熱供暖工程作為南方首個核能余熱供暖項(xiàng)目，其順利投產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行具有顯著的社會效益，對開展核能綜合利用起到了很好的示范和帶動作用，對增強(qiáng)核能的社會友好性和開拓核能綜合利用市場具有重要意義。同時該工程作為當(dāng)?shù)氐拿裆こ?，不僅帶動了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，也滿足了人民日益增長的供暖需求，為南方地區(qū)推廣清潔能源集中供暖打造了新樣板。

5 結(jié)語

秦山核電核能余熱供暖示范工程首次在南方地區(qū)開展核能集中供暖，首個供暖期運(yùn)行安全平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了能源梯級利用，提高了核能利用效率，社會環(huán)境效益顯著，助力區(qū)域早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。核能是當(dāng)前雙碳環(huán)境下可以大規(guī)模替代傳統(tǒng)能源的重要清潔低碳熱源。

未來考慮在現(xiàn)有的小區(qū)換熱站內(nèi)增加熱水型溴化鋰機(jī)組，冷熱水管共用，實(shí)現(xiàn)南方地區(qū)居民夏季供冷、冬季供暖的需求。同時研究利用高溫氣冷堆的高溫高壓蒸汽開展壓縮空氣及工業(yè)蒸汽等的集中供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更全面的核能綜合利用。