AP1000核电机组核能供热示范项目综合评价

2022-01-12耿文龙

山东电力技术 2021年12期

于航，耿文龙

（山东核电有限公司，山东烟台 265116）

0 前言

随着工业化进程不断加快，我国大气污染问题日益严重，尤其北方地区近年来出现了严重的雾霾天气，根据观测我国近30%的国土面积受雾霾天气影响［1］。通过研究空气质量变化趋势及污染特征，结果表明供暖是北方地区冬季雾霾形成的主要原因。

当前，我国北方地区冬季集中供暖热源以热电联产和区域锅炉房为主。2017 年北方地区采暖总能源消耗为2 亿t 标准煤，年排放二氧化碳5.41 亿t，且北方地区供热面积以每年2 亿m2的速度增长［2］，根据国家碳减排承诺，2030 年非化石能源占比达到20%，力争碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”，我国面临碳减排巨大挑战，在碳减排压力下，部分污染排放高、能源利用率低的供暖热源被迫关停［3］，因此，迫切需要清洁、高效的热源解决北方地区日益严重的热源短缺问题。核能作为替代传统化石燃料的重要清洁能源，其温室气体排放量仅为同等规模煤电的百分之一左右［4］。核能供热作为核电向核能综合利用发展的重要研究方向，受到国际和国内广泛关注。国际上，芬兰、俄罗斯等国家已开始核能供热技术研发和市场应用，核能供热的安全性与可靠性已经得到验证［5］；在国内，高校及设计院针对核能供热分设计了不同类型的供热或热电联供堆型，但尚未有大型压水堆核电机组商业化供热先例。

随着我国核电不断发展，核电厂在供电基础上实现冬季供热，可有效提高核电厂热效率，实现核能更高效利用，同时能够有效降低大气污染物排放量，环保效益显著。

1 核能供热总体方案

海阳核电核能供热工程规划分两阶段实施，第一阶段利用厂区辅助蒸汽为周边区域70 万m2市政用户供热，第二阶段通过汽轮机冷再热管道抽汽为海阳市区市政供热。

目前第一阶段核能供热示范项目已建成并投运，根据技术方案，第一阶段利用厂区辅助蒸汽管网供汽，通过设置在厂区内的供热首站实现热量交换，其供热系统包含热网蒸汽、热网循环水、热网加热器疏水以及热网补水定压子系统，供热系统如图1所示。

图1 供热系统流程

1.1 热网蒸汽和疏水系统

供热首站热网加热蒸汽取自厂区辅助蒸汽，蒸汽由抽汽管线上的调节阀根据热负荷调节，蒸汽通过两台65%设计热负荷管壳式汽水换热器加热循环水。蒸汽冷凝后的疏水通过疏水子系统首先输送至厂区换热站疏水箱，再通过疏水泵输送至凝汽器，实现工质和热量回收，减少机组补水量，热源侧系统设计参数如表1所示。

表1 热源侧系统设计参数

1.2 热网循环水系统

热网循环水系统的功能是将热网循环回水升压、升温后，送至二级换热站，为下游用户供热。该系统为闭式系统，由两台热网循环水泵、排污过滤器、管道及阀门组成。

热网循环水回水先经循环水过滤器过滤后，通过热网循环水泵加压，升压后循环水通过热网加热器加热，送至下游换热站实现热量交换。热网循环水泵设置止回阀旁路，该管路的主要作用是避免水锤对系统的破坏，当循环水泵停运供水压力骤降时，热网循环水回水母管能够通过快启式止回阀联通供水管，达到压力自平衡。

1.3 热网补水、定压系统

热网补水、定压系统通过向热网循环水泵入口回水管路补水以维持回水压力稳定，确保当热网循环水泵停运时，供热管网不发生汽化。热网补水系统设置正常补水管路和危急补水管路，正常补水经过除氧器除氧后，通过系统设置的两台100%容量热网补水定压泵向系统回水母管补水，正常补水管路同时起到管网定压作用；危急补水由工业水提供，事故工况下正常补水无法满足要求时，开启事故补水管线隔离阀，向管网循环水回水母管补水。补水水质相关参数如表2所示。

表2 补水水质

2 核能供热安全性分析

2.1 供热对核岛运行影响

该核能供热技术方案仅对辅助蒸汽系统进行改造，不涉及核岛系统设备，对核岛反应堆总参数、运行瞬态以及核安全无影响，供热系统启停、热负荷变化等对反应性调节均无影响［6］。

2.2 放射性释放分析

核电站为保护公众和环境免受放射性物质照射，设置了燃料包壳、一回路压力边界和安全壳三重屏障，新增抽汽供热系统对核电站设置的三道安全屏障没有影响［7］。同时为避免放射性物质向热用户泄漏和扩散，供热方案采用多级供热环路方式，供热系统多级供热环路设置如图2所示。

图2 供热多级环路

正常运行期间，蒸汽发生器作为隔离边界，控制一回路放射性物质进入二回路蒸汽系统。当蒸汽发生器传热管发生破裂，机组主蒸汽管路、蒸汽发生器排污系统及凝汽器抽真空系统设置的辐射监测仪将能及时探测到放射性并报警，机组采取应急措施防止二回路蒸汽中放射性物质扩散。

供热首站热网加热器设计循环水侧压力高于蒸汽侧压力，当热网换热器发生小泄漏时，由于热网循环水压力高于抽汽回路压力，蒸汽中的放射性不会泄漏至热网循环水回路。

仅当发生蒸汽发生器破口叠加供热换热器传热管破口叠加热网环路市区的管道破口，才有可能导致向市区的放射性泄漏，经分析此事故发生的概率小于10-11/（堆·年），且设置有监测和隔离控制手段能有效阻止放射性向热网循环水回路系统泄漏。

在上述屏障基础上，供热首站热网循环水供水母管设置了低放射性辐射监测仪，供热季运行过程中，供热首站热网循环水低放射性辐射监测仪测量结果均小于仪表检出限，总体运行平稳。

3 供热首站运行状态

3.1 供热负荷及热源可靠性分析

根据设计规范，本方案采暖热负荷和耗热量采用以下公式计算［8］：

式中：Qh为采暖设计热负荷，kW；qh为采暖热指标，W/m2；AC为采暖建筑面积，m2。

根据气象数据，对海阳地区供暖季不同月份平均温度进行了统计，相关数据如表3 所示。本方案依据气象统计数据选取采暖热负荷和耗热量计算指标。

表3 海阳市供暖季各月份平均温度

本方案供热综合采暖指标取45 W/m2，冬季室内计算温度取18 ℃，根据海阳地区供热期气象统计数据，采暖期室外计算温度取-5.8 ℃，采暖期室外平均温度取0.7 ℃；依据上述计算边界核算供热负荷、蒸汽量及总供热量。

表4 供暖热负荷及蒸汽量

当前电站辅助蒸汽系统蒸汽裕量50 t/h，满足供热首站设计热负荷工况48.2 t/h 蒸汽需求。本方案通过辅助蒸汽系统为供热首站提供加热蒸汽，其热源可靠性十分重要，电站辅助蒸汽系统热源包括正常运行机组和辅助电锅炉，当机组正常运行期间，由运行机组向辅助蒸汽系统供汽，且机组故障时可切换至其他机组供汽；辅助电锅炉主要用于机组启动时向除氧器、汽轮机轴封及厂区各采暖换热站等提供蒸汽，可作为供热应急热源，通过多热源提高了核能首站供热的可靠性。

根据统计，2019 年度海阳市供暖季因设备故障停暖累计时间47 h，故障率为1.63%，采用核电厂作为供暖热源供暖故障率大幅下降，2020 年度供暖季累计停暖10 h，故障率仅为0.38%，供热可靠性显著提升。

3.2 供热系统运行调节

常规供热系统调节方式分为质调节和量调节，质调节通过改变管网的供水温度调节热负荷，管网循环水流量保持不变，该调节方式操作简单、热力工况稳定，但系统耗电量较大，而量调节方式通过改变管网的循环水流量调节热负荷，该方式系统耗电量低，但操作复杂。

本技术方案充分考虑热力管网容量和核电机组安全运行要求，采用分阶段改变流量的质调节方式，根据室外环境温度状况，热网循环水分阶段按50%、75%和100%设计流量运行，各阶段内通过调节供热蒸汽量，实现热负荷小范围调节。本供暖季供热首站供回水温度变化趋势如图3 所示，通过供回水温度变化曲线可知，通过采用分阶段改变流量的质调节方式，各阶段根据室外温度变化热网供回水温度存在小幅度调节，整个供暖季供回水温度整体保持平稳，该调节方式在节省热网循环水泵电能消耗的同时，简化了运行操作，保证了机组安全稳定运行。

图3 供暖季供回水温度变化趋势

3.3 热网侧运行状态分析

热网加热蒸汽从除盐水厂房辅助蒸汽支管抽取，送至供热首站循环水加热器，满足热网首站用汽需求，接口位置如图4所示。

图4 辅助蒸汽抽汽接口位置

通过对2019 年供暖季供热首站运行状况进行统计、分析，本供暖季运行期间热网加热蒸汽实际最大进汽流量为48 t/h，平均进汽流量为37.2 t/h，高于设计平均进汽流量，详细运行参数如表5所示。按照理论核算年供热量26.9万GJ，实际供热量为28.7万GJ，实际供热负荷明显高于设计供热负荷。

表5 热网运行参数

本供暖季海阳地区平均气温变化如图5 所示，根据气象数据和系统运行参数，本供暖季热网运行状态总体评价如下。

图5 海阳市日平均气温变化

1）初期和末期环境温度较高，平均热负荷94.7 GJ/h优于设计平均热负荷，供暖中期气温达到最低值时，供热首站达到最大供暖热负荷120.6 GJ/h。通过比较热网加热器平均蒸汽量和平均热负荷设计值与实际值，供热期热网首站运行达到设计状态。

2）热网调节方式安全、高效，供回水温差总体稳定，满足系统供热需求。

3）热网加热器抽汽比焓接近设计值且变化幅度较少，也从侧面反映抽汽参数总体稳定。

4 核能供热示范项目综合评价

4.1 对机组出力影响

现阶段我国北方地区发电能力严重过剩，冬季电力负荷需求受限，已出现核电机组压负荷情况［9］，通过核电机组供热可进一步提高电站设备利用小时数，促进机组高效运行。

示范项目供暖季运行最低热负荷50 GJ/h、最高120.6 GJ/h、平均热负荷94.7 GJ/h，平均蒸汽流量约37.2 t/h，累计供热量为28.7 万GJ。汽轮机额定进气量为6 799 t/h，电功率为1 253 MW，经折算，供热后机组发电功率降低额定电功率的0.55%，约为6.85 MW，但能源综合效率提高，示范项目投运后全厂热效率由36.69%提升至37.17%。

4.2 环境效益

当前，北方地区集中供暖热源仍以燃煤锅炉为主，燃煤排放物正是导致全国范围内碳排放超标，尤其是华北地区冬季雾霾严重的主要原因［10］。海阳市大气污染源主要以燃煤电厂和集中供热企业为主，核能供热投产后，供热季总供热量28.7万GJ，折算替代标煤量为1.78 万t，减少空气污染物排放量如表6所示，项目减排效益显著。

表6 折算空气污染物排放量单位：t

4.3 社会效益

海阳核电核能供热示范项目实现了在运商业化核电机组供热改造先例，符合国家推进北方地区冬季清洁取暖重大决策部署，具有显著的经济和社会效益：供热效果和供热稳定性提高，使地方居民获得感显著提升；大气污染物减排贡献显著，空气质量明显改善；该项目作为国内首个核能供热项目，对实现国内核能综合利用起到了示范作用，同时该项目也为地区经济社会发展增添动力。