于 航，耿文龍

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265116）

0 前言

隨著工業(yè)化進程不斷加快，我國大氣污染問題日益嚴重，尤其北方地區(qū)近年來出現(xiàn)了嚴重的霧霾天氣，根據(jù)觀測我國近30%的國土面積受霧霾天氣影響［1］。通過研究空氣質(zhì)量變化趨勢及污染特征，結(jié)果表明供暖是北方地區(qū)冬季霧霾形成的主要原因。

當前，我國北方地區(qū)冬季集中供暖熱源以熱電聯(lián)產(chǎn)和區(qū)域鍋爐房為主。2017 年北方地區(qū)采暖總能源消耗為2 億t 標準煤，年排放二氧化碳5.41 億t，且北方地區(qū)供熱面積以每年2 億m2的速度增長［2］，根據(jù)國家碳減排承諾，2030 年非化石能源占比達到20%，力爭碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)“碳中和”，我國面臨碳減排巨大挑戰(zhàn)，在碳減排壓力下，部分污染排放高、能源利用率低的供暖熱源被迫關(guān)停［3］，因此，迫切需要清潔、高效的熱源解決北方地區(qū)日益嚴重的熱源短缺問題。核能作為替代傳統(tǒng)化石燃料的重要清潔能源，其溫室氣體排放量僅為同等規(guī)模煤電的百分之一左右［4］。核能供熱作為核電向核能綜合利用發(fā)展的重要研究方向，受到國際和國內(nèi)廣泛關(guān)注。國際上，芬蘭、俄羅斯等國家已開始核能供熱技術(shù)研發(fā)和市場應(yīng)用，核能供熱的安全性與可靠性已經(jīng)得到驗證［5］；在國內(nèi)，高校及設(shè)計院針對核能供熱分設(shè)計了不同類型的供熱或熱電聯(lián)供堆型，但尚未有大型壓水堆核電機組商業(yè)化供熱先例。

隨著我國核電不斷發(fā)展，核電廠在供電基礎(chǔ)上實現(xiàn)冬季供熱，可有效提高核電廠熱效率，實現(xiàn)核能更高效利用，同時能夠有效降低大氣污染物排放量，環(huán)保效益顯著。

1 核能供熱總體方案

海陽核電核能供熱工程規(guī)劃分兩階段實施，第一階段利用廠區(qū)輔助蒸汽為周邊區(qū)域70 萬m2市政用戶供熱，第二階段通過汽輪機冷再熱管道抽汽為海陽市區(qū)市政供熱。

目前第一階段核能供熱示范項目已建成并投運，根據(jù)技術(shù)方案，第一階段利用廠區(qū)輔助蒸汽管網(wǎng)供汽，通過設(shè)置在廠區(qū)內(nèi)的供熱首站實現(xiàn)熱量交換，其供熱系統(tǒng)包含熱網(wǎng)蒸汽、熱網(wǎng)循環(huán)水、熱網(wǎng)加熱器疏水以及熱網(wǎng)補水定壓子系統(tǒng)，供熱系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 供熱系統(tǒng)流程

1.1 熱網(wǎng)蒸汽和疏水系統(tǒng)

供熱首站熱網(wǎng)加熱蒸汽取自廠區(qū)輔助蒸汽，蒸汽由抽汽管線上的調(diào)節(jié)閥根據(jù)熱負荷調(diào)節(jié)，蒸汽通過兩臺65%設(shè)計熱負荷管殼式汽水換熱器加熱循環(huán)水。蒸汽冷凝后的疏水通過疏水子系統(tǒng)首先輸送至廠區(qū)換熱站疏水箱，再通過疏水泵輸送至凝汽器，實現(xiàn)工質(zhì)和熱量回收，減少機組補水量，熱源側(cè)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 熱源側(cè)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

1.2 熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)

熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的功能是將熱網(wǎng)循環(huán)回水升壓、升溫后，送至二級換熱站，為下游用戶供熱。該系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，由兩臺熱網(wǎng)循環(huán)水泵、排污過濾器、管道及閥門組成。

熱網(wǎng)循環(huán)水回水先經(jīng)循環(huán)水過濾器過濾后，通過熱網(wǎng)循環(huán)水泵加壓，升壓后循環(huán)水通過熱網(wǎng)加熱器加熱，送至下游換熱站實現(xiàn)熱量交換。熱網(wǎng)循環(huán)水泵設(shè)置止回閥旁路，該管路的主要作用是避免水錘對系統(tǒng)的破壞，當循環(huán)水泵停運供水壓力驟降時，熱網(wǎng)循環(huán)水回水母管能夠通過快啟式止回閥聯(lián)通供水管，達到壓力自平衡。

1.3 熱網(wǎng)補水、定壓系統(tǒng)

熱網(wǎng)補水、定壓系統(tǒng)通過向熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口回水管路補水以維持回水壓力穩(wěn)定，確保當熱網(wǎng)循環(huán)水泵停運時，供熱管網(wǎng)不發(fā)生汽化。熱網(wǎng)補水系統(tǒng)設(shè)置正常補水管路和危急補水管路，正常補水經(jīng)過除氧器除氧后，通過系統(tǒng)設(shè)置的兩臺100%容量熱網(wǎng)補水定壓泵向系統(tǒng)回水母管補水，正常補水管路同時起到管網(wǎng)定壓作用；危急補水由工業(yè)水提供，事故工況下正常補水無法滿足要求時，開啟事故補水管線隔離閥，向管網(wǎng)循環(huán)水回水母管補水。補水水質(zhì)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 補水水質(zhì)

2 核能供熱安全性分析

2.1 供熱對核島運行影響

該核能供熱技術(shù)方案僅對輔助蒸汽系統(tǒng)進行改造，不涉及核島系統(tǒng)設(shè)備，對核島反應(yīng)堆總參數(shù)、運行瞬態(tài)以及核安全無影響，供熱系統(tǒng)啟停、熱負荷變化等對反應(yīng)性調(diào)節(jié)均無影響［6］。

2.2 放射性釋放分析

核電站為保護公眾和環(huán)境免受放射性物質(zhì)照射，設(shè)置了燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼三重屏障，新增抽汽供熱系統(tǒng)對核電站設(shè)置的三道安全屏障沒有影響［7］。同時為避免放射性物質(zhì)向熱用戶泄漏和擴散，供熱方案采用多級供熱環(huán)路方式，供熱系統(tǒng)多級供熱環(huán)路設(shè)置如圖2所示。

圖2 供熱多級環(huán)路

正常運行期間，蒸汽發(fā)生器作為隔離邊界，控制一回路放射性物質(zhì)進入二回路蒸汽系統(tǒng)。當蒸汽發(fā)生器傳熱管發(fā)生破裂，機組主蒸汽管路、蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)及凝汽器抽真空系統(tǒng)設(shè)置的輻射監(jiān)測儀將能及時探測到放射性并報警，機組采取應(yīng)急措施防止二回路蒸汽中放射性物質(zhì)擴散。

供熱首站熱網(wǎng)加熱器設(shè)計循環(huán)水側(cè)壓力高于蒸汽側(cè)壓力，當熱網(wǎng)換熱器發(fā)生小泄漏時，由于熱網(wǎng)循環(huán)水壓力高于抽汽回路壓力，蒸汽中的放射性不會泄漏至熱網(wǎng)循環(huán)水回路。

僅當發(fā)生蒸汽發(fā)生器破口疊加供熱換熱器傳熱管破口疊加熱網(wǎng)環(huán)路市區(qū)的管道破口，才有可能導(dǎo)致向市區(qū)的放射性泄漏，經(jīng)分析此事故發(fā)生的概率小于10-11/（堆·年），且設(shè)置有監(jiān)測和隔離控制手段能有效阻止放射性向熱網(wǎng)循環(huán)水回路系統(tǒng)泄漏。

在上述屏障基礎(chǔ)上，供熱首站熱網(wǎng)循環(huán)水供水母管設(shè)置了低放射性輻射監(jiān)測儀，供熱季運行過程中，供熱首站熱網(wǎng)循環(huán)水低放射性輻射監(jiān)測儀測量結(jié)果均小于儀表檢出限，總體運行平穩(wěn)。

3 供熱首站運行狀態(tài)

3.1 供熱負荷及熱源可靠性分析

根據(jù)設(shè)計規(guī)范，本方案采暖熱負荷和耗熱量采用以下公式計算［8］：

式中：Qh為采暖設(shè)計熱負荷，kW；qh為采暖熱指標，W/m2；AC為采暖建筑面積，m2。

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，對海陽地區(qū)供暖季不同月份平均溫度進行了統(tǒng)計，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3 所示。本方案依據(jù)氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)選取采暖熱負荷和耗熱量計算指標。

表3 海陽市供暖季各月份平均溫度

本方案供熱綜合采暖指標取45 W/m2，冬季室內(nèi)計算溫度取18 ℃，根據(jù)海陽地區(qū)供熱期氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采暖期室外計算溫度取-5.8 ℃，采暖期室外平均溫度取0.7 ℃；依據(jù)上述計算邊界核算供熱負荷、蒸汽量及總供熱量。

表4 供暖熱負荷及蒸汽量

當前電站輔助蒸汽系統(tǒng)蒸汽裕量50 t/h，滿足供熱首站設(shè)計熱負荷工況48.2 t/h 蒸汽需求。本方案通過輔助蒸汽系統(tǒng)為供熱首站提供加熱蒸汽，其熱源可靠性十分重要，電站輔助蒸汽系統(tǒng)熱源包括正常運行機組和輔助電鍋爐，當機組正常運行期間，由運行機組向輔助蒸汽系統(tǒng)供汽，且機組故障時可切換至其他機組供汽；輔助電鍋爐主要用于機組啟動時向除氧器、汽輪機軸封及廠區(qū)各采暖換熱站等提供蒸汽，可作為供熱應(yīng)急熱源，通過多熱源提高了核能首站供熱的可靠性。

根據(jù)統(tǒng)計，2019 年度海陽市供暖季因設(shè)備故障停暖累計時間47 h，故障率為1.63%，采用核電廠作為供暖熱源供暖故障率大幅下降，2020 年度供暖季累計停暖10 h，故障率僅為0.38%，供熱可靠性顯著提升。

3.2 供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)

常規(guī)供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式分為質(zhì)調(diào)節(jié)和量調(diào)節(jié)，質(zhì)調(diào)節(jié)通過改變管網(wǎng)的供水溫度調(diào)節(jié)熱負荷，管網(wǎng)循環(huán)水流量保持不變，該調(diào)節(jié)方式操作簡單、熱力工況穩(wěn)定，但系統(tǒng)耗電量較大，而量調(diào)節(jié)方式通過改變管網(wǎng)的循環(huán)水流量調(diào)節(jié)熱負荷，該方式系統(tǒng)耗電量低，但操作復(fù)雜。

本技術(shù)方案充分考慮熱力管網(wǎng)容量和核電機組安全運行要求，采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式，根據(jù)室外環(huán)境溫度狀況，熱網(wǎng)循環(huán)水分階段按50%、75%和100%設(shè)計流量運行，各階段內(nèi)通過調(diào)節(jié)供熱蒸汽量，實現(xiàn)熱負荷小范圍調(diào)節(jié)。本供暖季供熱首站供回水溫度變化趨勢如圖3 所示，通過供回水溫度變化曲線可知，通過采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式，各階段根據(jù)室外溫度變化熱網(wǎng)供回水溫度存在小幅度調(diào)節(jié)，整個供暖季供回水溫度整體保持平穩(wěn)，該調(diào)節(jié)方式在節(jié)省熱網(wǎng)循環(huán)水泵電能消耗的同時，簡化了運行操作，保證了機組安全穩(wěn)定運行。

圖3 供暖季供回水溫度變化趨勢

3.3 熱網(wǎng)側(cè)運行狀態(tài)分析

熱網(wǎng)加熱蒸汽從除鹽水廠房輔助蒸汽支管抽取，送至供熱首站循環(huán)水加熱器，滿足熱網(wǎng)首站用汽需求，接口位置如圖4所示。

圖4 輔助蒸汽抽汽接口位置

通過對2019 年供暖季供熱首站運行狀況進行統(tǒng)計、分析，本供暖季運行期間熱網(wǎng)加熱蒸汽實際最大進汽流量為48 t/h，平均進汽流量為37.2 t/h，高于設(shè)計平均進汽流量，詳細運行參數(shù)如表5所示。按照理論核算年供熱量26.9萬GJ，實際供熱量為28.7萬GJ，實際供熱負荷明顯高于設(shè)計供熱負荷。

表5 熱網(wǎng)運行參數(shù)

本供暖季海陽地區(qū)平均氣溫變化如圖5 所示，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行參數(shù)，本供暖季熱網(wǎng)運行狀態(tài)總體評價如下。

圖5 海陽市日平均氣溫變化

1）初期和末期環(huán)境溫度較高，平均熱負荷94.7 GJ/h優(yōu)于設(shè)計平均熱負荷，供暖中期氣溫達到最低值時，供熱首站達到最大供暖熱負荷120.6 GJ/h。通過比較熱網(wǎng)加熱器平均蒸汽量和平均熱負荷設(shè)計值與實際值，供熱期熱網(wǎng)首站運行達到設(shè)計狀態(tài)。

2）熱網(wǎng)調(diào)節(jié)方式安全、高效，供回水溫差總體穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)供熱需求。

3）熱網(wǎng)加熱器抽汽比焓接近設(shè)計值且變化幅度較少，也從側(cè)面反映抽汽參數(shù)總體穩(wěn)定。

4 核能供熱示范項目綜合評價

4.1 對機組出力影響

現(xiàn)階段我國北方地區(qū)發(fā)電能力嚴重過剩，冬季電力負荷需求受限，已出現(xiàn)核電機組壓負荷情況［9］，通過核電機組供熱可進一步提高電站設(shè)備利用小時數(shù)，促進機組高效運行。

示范項目供暖季運行最低熱負荷50 GJ/h、最高120.6 GJ/h、平均熱負荷94.7 GJ/h，平均蒸汽流量約37.2 t/h，累計供熱量為28.7 萬GJ。汽輪機額定進氣量為6 799 t/h，電功率為1 253 MW，經(jīng)折算，供熱后機組發(fā)電功率降低額定電功率的0.55%，約為6.85 MW，但能源綜合效率提高，示范項目投運后全廠熱效率由36.69%提升至37.17%。

4.2 環(huán)境效益

當前，北方地區(qū)集中供暖熱源仍以燃煤鍋爐為主，燃煤排放物正是導(dǎo)致全國范圍內(nèi)碳排放超標，尤其是華北地區(qū)冬季霧霾嚴重的主要原因［10］。海陽市大氣污染源主要以燃煤電廠和集中供熱企業(yè)為主，核能供熱投產(chǎn)后，供熱季總供熱量28.7萬GJ，折算替代標煤量為1.78 萬t，減少空氣污染物排放量如表6所示，項目減排效益顯著。

表6 折算空氣污染物排放量單位：t

4.3 社會效益

海陽核電核能供熱示范項目實現(xiàn)了在運商業(yè)化核電機組供熱改造先例，符合國家推進北方地區(qū)冬季清潔取暖重大決策部署，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益：供熱效果和供熱穩(wěn)定性提高，使地方居民獲得感顯著提升；大氣污染物減排貢獻顯著，空氣質(zhì)量明顯改善；該項目作為國內(nèi)首個核能供熱項目，對實現(xiàn)國內(nèi)核能綜合利用起到了示范作用，同時該項目也為地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展增添動力。

5 結(jié)語

海陽核電核能供熱示范項目實現(xiàn)了國內(nèi)核能商用供熱零的突破，技術(shù)上運行安全穩(wěn)定，使電站核能綜合利用率顯著提高；經(jīng)濟性上大規(guī)模核能供熱具有較高的運維經(jīng)濟性，比燃煤供熱更具競爭力；生態(tài)方面核能供熱碳減排環(huán)保效益顯著，是當前替代傳統(tǒng)能源實現(xiàn)大規(guī)模集中供暖重要清潔熱源。

未來將進一步研究核電機組供熱改造和長距離管網(wǎng)傳輸技術(shù)，滿足大規(guī)模核能供熱需求，進一步提高核能供熱經(jīng)濟性，同時研究利用核能供熱管網(wǎng)實現(xiàn)水熱同送，實現(xiàn)核能綜合利用。