AP1000核電機組核能供熱示范項目綜合評價

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，尤其北方地區近年來出現了嚴重的霧霾天氣，根據觀測我國近30%的國土面積受霧霾天氣影響［1］。通過研究空氣質量變化趨勢及污染特征，結果表明供暖是北方地區冬季霧霾形成的主要原因。

當前，我國北方地區冬季集中供暖熱源以熱電聯產和區域鍋爐房為主。2017 年北方地區采暖總能源消耗為2 億t 標準煤，年排放二氧化碳5.41 億t，且北方地區供熱面積以每年2 億m2的速度增長［2］，根據國家碳減排承諾，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“碳中和”，我國面臨碳減排巨大挑戰，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停［3］，因此，迫切需要清潔、高效的熱源解決北方地區日益嚴重的熱源短缺問題。核能作為替代傳統化石燃料的重要清潔能源，其溫室氣體排放量僅為同等規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展的重要研究方向，受到國際和國內廣泛關注。國際上，芬蘭、俄羅斯等國家已開始核能供熱技術研發和市場應用，核能供熱的安全性與可靠性已經得到驗證［5］；在國內，高校及設計院針對核能供熱分設計了不同類型的供熱或熱電聯供堆型，但尚未有大型壓水堆核電機組商業化供熱先例。

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

1 核能供熱總體方案

海陽核電核能供熱工程規劃分兩階段實施，第一階段利用廠區輔助蒸汽為周邊區域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，根據技術方案，第一階段利用廠區輔助蒸汽管網供汽，通過設置在廠區內的供熱首站實現熱量交換，其供熱系統包含熱網蒸汽、熱網循環水、熱網加熱器疏水以及熱網補水定壓子系統，供熱系統如圖1所示。

圖1 供熱系統流程

1.1 熱網蒸汽和疏水系統

供熱首站熱網加熱蒸汽取自廠區輔助蒸汽，蒸汽由抽汽管線上的調節閥根據熱負荷調節，蒸汽通過兩臺65%設計熱負荷管殼式汽水換熱器加熱循環水。蒸汽冷凝后的疏水通過疏水子系統首先輸送至廠區換熱站疏水箱，再通過疏水泵輸送至凝汽器，實現工質和熱量回收，減少機組補水量，熱源側系統設計參數如表1所示。

表1 熱源側系統設計參數

1.2 熱網循環水系統

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

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

1.3 熱網補水、定壓系統

熱網補水、定壓系統通過向熱網循環水泵入口回水管路補水以維持回水壓力穩定，確保當熱網循環水泵停運時，供熱管網不發生汽化。熱網補水系統設置正常補水管路和危急補水管路，正常補水經過除氧器除氧后，通過系統設置的兩臺100%容量熱網補水定壓泵向系統回水母管補水，正常補水管路同時起到管網定壓作用；危急補水由工業水提供，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，向管網循環水回水母管補水。補水水質相關參數如表2所示。

表2 補水水質

2 核能供熱安全性分析

2.1 供熱對核島運行影響

該核能供熱技術方案僅對輔助蒸汽系統進行改造，不涉及核島系統設備，對核島反應堆總參數、運行瞬態以及核安全無影響，供熱系統啟停、熱負荷變化等對反應性調節均無影響［6］。

2.2 放射性釋放分析

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

圖2 供熱多級環路

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

供熱首站熱網加熱器設計循環水側壓力高于蒸汽側壓力，當熱網換熱器發生小泄漏時，由于熱網循環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循環水回路。

僅當發生蒸汽發生器破口疊加供熱換熱器傳熱管破口疊加熱網環路市區的管道破口，才有可能導致向市區的放射性泄漏，經分析此事故發生的概率小于10-11/（堆·年），且設置有監測和隔離控制手段能有效阻止放射性向熱網循環水回路系統泄漏。

在上述屏障基礎上，供熱首站熱網循環水供水母管設置了低放射性輻射監測儀，供熱季運行過程中，供熱首站熱網循環水低放射性輻射監測儀測量結果均小于儀表檢出限，總體運行平穩。

3 供熱首站運行狀態

3.1 供熱負荷及熱源可靠性分析

根據設計規范，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。

根據氣象數據，對海陽地區供暖季不同月份平均溫度進行了統計，相關數據如表3 所示。本方案依據氣象統計數據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，冬季室內計算溫度取18 ℃，根據海陽地區供熱期氣象統計數據，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蒸汽裕量50 t/h，滿足供熱首站設計熱負荷工況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、汽輪機軸封及廠區各采暖換熱站等提供蒸汽，可作為供熱應急熱源，通過多熱源提高了核能首站供熱的可靠性。

根據統計，2019 年度海陽市供暖季因設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 供熱系統運行調節

常規供熱系統調節方式分為質調節和量調節，質調節通過改變管網的供水溫度調節熱負荷，管網循環水流量保持不變，該調節方式操作簡單、熱力工況穩定，但系統耗電量較大，而量調節方式通過改變管網的循環水流量調節熱負荷，該方式系統耗電量低，但操作復雜。

本技術方案充分考慮熱力管網容量和核電機組安全運行要求，采用分階段改變流量的質調節方式，根據室外環境溫度狀況，熱網循環水分階段按50%、75%和100%設計流量運行，各階段內通過調節供熱蒸汽量，實現熱負荷小范圍調節。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調節方式，各階段根據室外溫度變化熱網供回水溫度存在小幅度調節，整個供暖季供回水溫度整體保持平穩，該調節方式在節省熱網循環水泵電能消耗的同時，簡化了運行操作，保證了機組安全穩定運行。

圖3 供暖季供回水溫度變化趨勢

3.3 熱網側運行狀態分析

熱網加熱蒸汽從除鹽水廠房輔助蒸汽支管抽取，送至供熱首站循環水加熱器，滿足熱網首站用汽需求，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計、分析，本供暖季運行期間熱網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，高于設計平均進汽流量，詳細運行參數如表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計供熱負荷。

表5 熱網運行參數

本供暖季海陽地區平均氣溫變化如圖5 所示，根據氣象數據和系統運行參數，本供暖季熱網運行狀態總體評價如下。

圖5 海陽市日平均氣溫變化

1）初期和末期環境溫度較高，平均熱負荷94.7 GJ/h優于設計平均熱負荷，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。通過比較熱網加熱器平均蒸汽量和平均熱負荷設計值與實際值，供熱期熱網首站運行達到設計狀態。

2）熱網調節方式安全、高效，供回水溫差總體穩定，滿足系統供熱需求。

3）熱網加熱器抽汽比焓接近設計值且變化幅度較少，也從側面反映抽汽參數總體穩定。

4 核能供熱示范項目綜合評價

4.1 對機組出力影響

現階段我國北方地區發電能力嚴重過剩，冬季電力負荷需求受限，已出現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備利用小時數，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，經折算，供熱后機組發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 環境效益

當前，北方地區集中供暖熱源仍以燃煤鍋爐為主，燃煤排放物正是導致全國范圍內碳排放超標，尤其是華北地區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為主，核能供熱投產后，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了在運商業化核電機組供熱改造先例，符合國家推進北方地區冬季清潔取暖重大決策部署，具有顯著的經濟和社會效益：供熱效果和供熱穩定性提高，使地方居民獲得感顯著提升；大氣污染物減排貢獻顯著，空氣質量明顯改善；該項目作為國內首個核能供熱項目，對實現國內核能綜合利用起到了示范作用，同時該項目也為地區經濟社會發展增添動力。

5 結語

海陽核電核能供熱示范項目實現了國內核能商用供熱零的突破，技術上運行安全穩定，使電站核能綜合利用率顯著提高；經濟性上大規模核能供熱具有較高的運維經濟性，比燃煤供熱更具競爭力；生態方面核能供熱碳減排環保效益顯著，是當前替代傳統能源實現大規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傳輸技術，滿足大規模核能供熱需求，進一步提高核能供熱經濟性，同時研究利用核能供熱管網實現水熱同送，實現核能綜合利用。