模塊化核能供暖裝置研發及其優勢分析

孟憲瑞，陳堅剛，邱 波

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

0 引言

近年來，隨著氣候變化和人民生活水平的提高，發展南方城市集中供暖的呼聲越來越高，相關話題多次被全國兩會提及。集中供熱項目為國家確定的優先發展的產業，具有節約能源、提升供熱質量、改善環境等效益，為提高能源綜合利用和治理大氣污染的必要手段，符合國家可持續發展的戰略。

核電廠常規島凝汽器的真空度直接影響汽輪機的熱效率，在冬季，電廠三回路循環海水溫度降低，常規島凝汽器真空度與夏季相比，得到提高，進而帶來核電廠汽輪機熱效率的提升，而核反應堆堆功率不變，且未達到額定核功率，因此，核反應堆功率在冬季存在提升利用的空間。針對該問題，本文探尋一種經濟、可靠的解決方案，利用核電廠剩余核功率進行供暖或供熱，不但能夠提高核電機組的利用率，還能解決連續的采暖需求，并減少化石能源消耗及碳排放，具有較好的經濟和環保效益。

1 南方核能供暖背景及供暖系統簡介

長江中下游地區冬季陰冷潮濕，公建設施及居民多采用空調、天然氣鍋爐等分散供暖方式取暖，能源消耗大，經濟負擔大，供熱品質低，舒適度差，對高品質熱源供暖的需求迫切。中國國家主席習近平在召開的聯合國大會上表示：“中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現碳中和”。核能作為安全、清潔、無碳能源，對中國節能減排的重要作用已日漸凸顯。核能供暖的實現，具有重要的意義，滿足了經濟和社會發展的能源增長需求，協調了環境與能源、經濟的和諧發展，提升了國家綜合經濟實力及工業技術水平，為實現中國兩碳目標添瓦助力。

核能供熱在國際上已有不少先例，目前全球約有56 座商用反應堆發電的同時，產生熱水或蒸汽用于區域供熱，主要分布于東歐。這些項目合計超過1 000堆年的運行經驗驗證了核能供熱的安全性與可靠性[1]。核電廠常規島凝汽器的真空度直接影響汽輪機的熱效率，在冬季，電廠三回路循環海水溫度降低，常規島凝汽器真空度與夏季相比，得到提高，進而帶來核電廠汽輪機熱效率的提升，而核反應堆堆功率有剩余。因此，核反應堆功率在冬季存在提升利用的空間。如果能利用這部分剩余核功率進行供暖或供熱，不但能夠提高核電機組的利用率，同時能解決約地方建筑的連續采暖需求。中國能源結構以煤為主，冬季采暖期燃煤排放給環境帶來巨大壓力，中國大氣中SO2的87%，CO2的 71%，氮氧化物的 67%來自燃煤[2]。根據有關部門研究計算，核電鏈排放系數為等效CO213.7 g/(kW·h)，只是同等規模煤電鏈的1%左右[3]，核電集中供暖可有效解決化石能源消耗及碳排放。

南方核能供暖示范項目在某核電廠區范圍內建設供熱站，從常規島輔助蒸汽系統引出加熱蒸汽，在供熱站內完成與供熱網循環水一次換熱，熱網循環水在二級換熱站內完成與用戶側二次換熱。供熱系統與核電廠一回路系統通過用戶側回路、熱水循環水回路、二級換熱站回路、電廠二回路等，實現了多重隔離，保證其安全可靠，原理圖見圖1。

圖1 核能供熱系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of nuclear heating system

2 模塊化核能供暖裝置研究

模塊化技術已在核電、造船、航空、石化等領域中得到廣泛應用，可有效縮短施工工期、降低建造成本和風險。模塊化是指將復雜的系統或結構通過分割組成較小的、簡單的模塊，然后再通過組裝各個模塊，成為一個整體，最終完成整個系統所要求的功能。“模塊化建造”就是在工程建造中最大化地利用場外進行預制和組裝，并在施工現場直接安裝[4]。

傳統的供暖首站建造模式一般先建造廠房，然后在廠房內安裝熱力、配電、控制等設備，存在建設周期長，項目一次性投資大等弊端，特別對于缺少集中供暖基礎設施的地區(如中國淮河以南地區)，用戶增長是個長期緩慢的過程，傳統的建造模式投資回報周期長，項目風險大。采用完全模塊化設計建造技術，裝置由數個獨立功能的子模塊組合安裝，模塊內集成建筑結構、工藝系統布置、邏輯保護控制、動力設備配置、輻射監測、通風消防等功能，可在工廠內完成整體制造、安裝及調試。模塊在電廠現場直接拼裝，所有管道連接均采用法蘭連接，無需焊接，具有快捷安裝、快捷運輸、快捷拆卸特點。根據熱源及供暖用戶需求模塊裝置可按需逐臺建設，避免傳統建造模式的弊端。

2.1 模塊化研究

2.1.1 模塊供熱站系統研究

采用完全模塊化設計供熱站內包含熱網加熱系統、熱網循環水系統、熱網加熱器疏水系統、熱網補水定壓系統、電氣系統、儀控系統和輻射監測系統等如圖2所示。

圖2 模塊化裝置系統示意圖Fig.2 Modular device system diagram

(1)熱網加熱系統

熱網加熱蒸汽系統的功能是將常規島的輔助蒸汽輸送至熱網加熱器，用于采暖期加熱熱網循環水。系統主要由熱網加熱器、管道閥門和儀表等組成。示范階段熱網加熱蒸汽引至廠區輔助蒸汽系統，參數為1.2 MPa、188 ℃，加熱蒸汽母管上設置關斷閥、調節閥，每臺熱網加熱器支路上設置關斷閥，起調節流量和隔斷作用。熱網加熱器設備上設置安全閥起到超壓保護的作用。蒸汽管道通過架空管線進入換熱站，在換熱站內低點位置設置自動疏水器。

(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送至熱網加熱器升溫，再供至用戶二級換熱站。主要包含熱網除污器、熱網循環水泵、管道閥門和儀表等組成。

集成模塊內設置3臺熱網循環水泵，每臺泵入口配置熱網除污器。熱網循環水回水先經熱網除污器排污，再通過熱網循環水泵進入熱網加熱器，最后由供水母管送至用戶側換熱站。

熱網循環水泵設置止回閥旁路，避免水錘產生破壞。作用原理為當泵突然停運時，水柱瞬間中斷，熱網循環水回水管中的水能夠通過快啟式止回閥迅速進入供水管，從而恢復壓力平衡。熱網加熱器的進出口管路均設置電動蝶閥，起到隔離熱網加熱器的作用。

循環水供回水管路設置供水流量計，對進出口熱量即時顯示、監控。

(3)熱網加熱器疏水系統

凝結水回收系統設置兩個管路：一路通過電動閘閥輸送至疏水箱，另一路通過緊急疏水電動閘閥接至熱廢水坑。疏水箱內凝結水經過熱網疏水泵輸送至疏水總管，最終送至回熱系統凝汽器。凝結水回收裝置由疏水箱、熱網疏水泵、電動閥組、手動閥門、管件及儀表控制系統組成，主要回收熱網加熱器汽相變化后的凝結水。集成供熱裝置設置2臺熱網加熱器疏水泵，1臺運行，1臺備用。

(4)熱網補水定壓系統

熱網補水定壓系統的功能是向熱網循環水泵入口的回水管路上補水且定壓，以確保當在熱網循環水泵停運時，供熱管網內任何一點不會發生汽化。熱網補水定壓系統，包括正常補水管路和事故補水管路。

正常補水時，管路兼作定壓用，生產水系統水進入軟水箱，然后經補水泵、調節閥進入膜除氧裝置除氧，接入熱網循環水回水管補水且定壓。熱網事故工況下，正常補水無法滿足要求，通過事故補水管路進行補水。

由生產水系統輸送的水經過軟水器軟化后進入補水箱。補水箱內設有浮球閥，水滿后浮球閥自動關閉并且軟水器停止工作。補水箱設有就地磁翻板液位計及遠傳超聲波液位計。補水泵與補水箱液位連鎖，軟化水經補水泵加壓后進入膜除氧裝置，膜除氧裝置設置流量、含氧量、電導率等參數的就地顯示功能。除氧后的軟化水經流量計接入循環水回水管道，實現流量計量功能。膜除氧裝置設置旁路截止閥，當膜除氧裝置出現故障時可臨時打開旁路截止閥，保證系統正常運行。

(5)電氣系統

本項目用電負荷主要為模塊化集成供熱裝置配電箱AP01(約20 kW)一臺、AP02(約65 kW)一臺，包含為熱網變頻循環泵三臺、變頻疏水泵兩臺、變頻補水泵兩臺、膜除氧裝置及輻射監測儀表等重要設備的供電。配電系統除為模塊內設備供電外，還為模塊外部疏水井及熱量計供電。模塊裝置設計有防雷接地、工作接地、保護接地，共用一個接地系統，利用模塊化集成裝置做自然接地體。

(6)儀控系統

供熱首站擬采用以微處理器為基礎的數字控制系統。為了便于運行人員對生產過程的監視、控制和事故處理，在電廠控制室設置1臺操作員站，供熱首站設備的全部數據，通過光纖通信至操作員站集中監控。在控制室內能完成供熱首站所需的全部操作；在少量就地工作人員配合下，可在電廠控制室內進行機組的啟、停操作。

除布置在供回水母管上，及模塊外的新建管線上的變送器及就地儀表外，其余設備包括數字控制機柜、工程師站和現場儀表等均安裝布置在模塊內，其中控制機柜和工程師站布置在模塊內的儀控設備間。

供熱首站監控系統由控制室操作員站、PLC控制機柜和常規儀表構成，主要實現各種信號、數據的采集、監視、控制及傳輸。

控制室操作員站上可以顯示供熱站工藝流程，并可實現聲光報警。顯示畫面包括參數匯總畫面、工藝設備運行狀態畫面、控制回路畫面、趨勢顯示畫面、報警參數畫面、檢測流程畫面等。

供熱站監控系統的基本功能：

1)數據采集及處理、數據界面顯示、人機界面操控；

2)系統控制；

3)參數的設定、修改功能；

4)監視系統運行，完成供熱站控制系統監控；

5)數據通信功能，將檢測到的供熱站參數通信至演示系統。

(7)輻射監測系統

為防止潛在的放射性物質向外擴散，確保供熱首站輸送水中的輻射安全符合國家相關標準要求，在供熱首站接去廠區熱網循環水供水的母管管道上設置1臺符合國家標準要求的連續輻射監測儀，放射性監測設備放置集成在供熱首站內，實時輻射數據和報警信號可遠傳至控制室操作員站，確保輻射安全可控。

2.1.2 模塊結構布置

模塊化集成供熱裝置分為上下兩層，根據系統功能對模塊內部進行布置，考慮到吊裝及系統流程，將模塊分為功能模塊A/C/D/F及連廊通道B/E，如圖3所示。模塊化裝置內部結構示意圖如圖4所示。

圖3 核能供暖模塊分布圖Fig.3 Nuclear heating module distribution map

圖4 模塊化裝置內部結構示意圖Fig.4 Modular device internal structure diagram1—熱網加熱器；2—蒸汽電動調節閥；3—熱網循環泵；4—軟水器；5—凈水箱；6—膜除氧裝置；7—凝結水泵；8—控制機柜；9—蒸汽管道入口；10—入口過濾器；11—基座；12—隔離閥；13—循環水出口；14—循環水入口

2.1.3 模塊安裝與調試

模塊在工廠內完成建造組裝并進行單體調試，確保設備信號控制正確，驗收合格后進行拆分，拆分為模塊A、模塊C、模塊D、模塊F及室內室外散件(見表1)運輸至電廠，模塊間經過高強度螺栓進行現場固定，組合后構成換熱站。所有模塊就位組合完成后對地腳螺栓進行進行二次澆灌，進行系統聯合調試即可投入運營。換熱站采用模塊化建造方式大幅度減少工程造價及建設周期，每kW造價小于2 000元，工廠制造周期小于150 d，現場安裝周期40 h。

表1 模塊內設備構成表Table 1 Table of device composition in module

2.2 核與輻射安全控制措施

(1)工藝系統安全設計

核蒸汽回路與熱網循環水回路通過表面式換熱器換熱，采用更保守的承壓及耐腐蝕設計，保證兩個回路介質的物理隔離。

循環水管網補水采用膜除氧方式，避免采用蒸汽加熱將核電廠二回路蒸汽進入循環水回路。

(2)控制保護安全設計

設置汽水壓差中選信號，通過設置3塊汽水壓差表進行取中選取，通過監測循環水系統壓力與蒸汽系統壓力低于保護值，及時自動關閉換熱站蒸汽閥門。

裝置設計采用故障安全理念，任一能動設備在失去動力源時應處于安全位置，確保設備和人員的安全。

(3)三重泄漏監測措施

核電廠二回路輻射監測、熱網循環水輻射監測、傳熱管泄漏監測三種監測手段保障放射性物質不進入熱網循環水回路。

設置蒸汽系統放射性監測信號，通過監測核電廠提供蒸汽放射性，及時自動關閉蒸汽閥門，確保核電廠蒸汽系統有放射性時及時停止向核能供暖換熱站提供蒸汽。

設置循環水系統放射性監測信號，通過監測循環水系統放射性數值，及時自動停止供暖系統運行，關閉換熱站循環水側及蒸汽側閥門，停止向居民提供循環水。

設置傳熱管泄漏監測信號，通過循環水系統壓力大于蒸汽系統壓力，確保傳熱管破損時蒸汽側無法溢至循環水系統，防止有潛在放射性蒸汽進入循環水系統。

模塊化裝置安全保護邏輯示意圖如圖5所示。

圖5 模塊化裝置安全保護邏輯示意圖Fig.5 Modular device safety protection logic diagram

3 南方核能供暖應用及效益分析

模塊化核能供暖裝置首臺產品已在核電核能供暖示范項目中建造及投運，相對常規供熱站方式具有良好的效益，如表2所示。

表2 模塊裝置與常規供熱站對比Table 2 Comparison between modular device and conventional heating station

(1)環境效益

示范項目單套模塊裝置設計負荷37.5 MW，按平均熱負荷25.65 MW，采暖時間99 d計算，本裝置每年可實現采暖供熱量18.9萬GJ，相當每年減少標煤約0.83萬t、 二氧化硫66.5 t、氮氧化物62.4 t、二氧化碳2.1萬t，具有明顯的環境效益。

(2)經濟效益

核能供暖項目使用核電機組冬季剩余功率，有效提高電廠利潤，開拓新能源市場，增加核電廠盈利模式，提高核電廠機組熱效率。

核能供暖集成供熱裝置采用一體化模塊化設計制造，大幅度減少工程造價及建設周期，每千瓦造價小于2 000元，工廠制造周期小于150 d，現場安裝周期僅40 h。

(3)社會效益

首臺產品已在核電核能供暖示范項目中建造及投運，有效提升居民幸福感，為分步推進南方公用設施及居民供暖設施建設起到示范作用。

首個供暖季連續安全穩定運行100 d，為4 000家居民實現供熱保障，供熱價格比較過去降低1/3，為南方核能集中供暖積累了寶貴經驗。

南方核能供暖項目案例入選《2022企業氣候行動案例集》，在《聯合國氣候變化框架公約》締約方會議上得到了與會專家的高度認可。

4 結束語

核能作為清潔、安全、無碳能源，對中國節能減排的重要作用已日漸凸顯。核能供暖的實現對滿足中國經濟和社會發展不斷增長的能源需求，實現生態環境、能源和經濟的協調發展，助力實現碳中和目標具有重要意義。模塊化核能供暖裝置創新使用由數個功能子模塊組合而成模塊化設計，集工藝、電氣、控制、保護、構筑物、通風、消防、輻射監測等功能于一體，具有靈活選址、快捷運輸、快捷安裝等特點。通過利用核電的清潔、高效、經濟的特有優勢進行大規模集中供暖，助力浙江省創建國家清潔能源示范省，緩解地方政府能源“雙控”壓力，助力海鹽地方經濟社會高水平創新發展，造福地方百姓，打造“江南核能供暖示范窗口”，開辟核能綜合利用新的市場，為分步推進南方公用設施及居民供暖設施建設起到示范作用。