南方核能余热供暖应用实践

2023-02-23纪相财费洲华

煤气与热力 2023年2期

王肖，纪相财，王斌，费洲华

(浙江城建煤气热电设计院股份有限公司，浙江杭州 310030)

1 概述

近年来，随着我国经济发展、人民生活水平提高以及冬季极寒天气频繁出现，南方部分地区居民集中供暖诉求日益强烈，嘉兴、武汉、合肥、长沙、成都等地已建成集中供暖试点项目。南方地区如武汉、南京等地主要采用燃气锅炉或燃气分布式能源进行集中供暖。

根据《2020年城市建设统计年鉴》和《2020年城乡建设统计年鉴》，截至2020年底，全国集中供热面积达122.66×108m2，较2019年增长约7.8×108m2。根据住房和城乡建设部发布的《2021年中国城市建设状况公报》，截至2021年底，全国城市集中供热面积106.03×108m2，同比增长7.30%。根据我国在减缓气候变化方面的“双碳”目标战略部署，要在2030年之前实现碳排放达峰，力争2060年实现碳中和。在巨大的减排压力下，我国需要积极寻找清洁低碳热源来满足当下不断增长的供热需求。核能具有清洁、近零碳等特点，核能碳排放量仅为16 g/(kW·h)，与可再生能源相当，是当前可以因地制宜开展大规模化石能源替代的清洁低碳能源。不同能源品种的碳排放量见表1。

国内外已经针对核能供热的可行性、安全性、经济性、环境影响等进行了大量理论研究和实践检验。

表1 不同能源品种的碳排放量

早在1954年，前苏联首次启用10 MW的实验供热堆型AST-500，并发展了核能供热技术[1-2]；我国于1989年开发了5 MW的供热堆型NHR-5，连续安全运行100 d并顺利完成首次供暖任务[3]。根据国际原子能机构(IAEA)发布的核电运行数据，截至2020年底，全球在运核电机组中共有55台进行区域供热(装机容量133.06 GW)，31台机组进行工业供热(装机容量73.33 GW)，供热安全性得到充分证明。

《2030年前碳达峰行动方案》和《“十四五”现代能源体系规划》均提出开展核能综合利用示范。核能余热供暖是利用核电站辅助蒸汽进行核能综合利用，提高了核能利用效率，满足了不断增长的居民供暖需求，经济、环保效益显著。

2 总体技术方案

秦山核电核能余热供暖一期工程利用核电站反应堆辅助蒸汽为秦山核电46×104m2自有生活区进行集中供暖，目前一期工程已经顺利建成并投产，并于2021—2022年供暖期顺利完成了供暖任务。

2.1 设计供暖年耗热量

根据CJJ/T 34—2022《城镇供热管网设计标准》，设计供暖年耗热量计算式为：

(1)

t——供暖期时间，d，取99 d

Φh——设计供暖热负荷，kW，为19 200 kW

θi——室内设计温度，℃，取18 ℃

θa——供暖室外平均温度，℃，取5.2 ℃

θo,h——供暖室外计算温度，℃，取-0.7 ℃

经计算，得出设计供暖年耗热量为11.25×104GJ/a。

2.2 热源选择

核电站蒸汽热源一般有高压缸排汽和辅助蒸汽。高压缸排汽方案不仅会影响机组发电出力，还可能会改变汽轮机组本体结构，需重新进行汽轮机推力平衡计算，方案较为复杂。辅助蒸汽方案相对简单。

因此核能余热供暖工程采用辅助蒸汽作为热网循环水加热热源，辅助蒸汽压力为1.2 MPa，温度为188 ℃。

2.3 供热管网

核能余热供暖工程设置两级换热站，采用闭式双管制系统，将热源侧的辅助蒸汽热能经蒸汽隔离回路、热网循环水回路、用户循环水回路送至用户侧。核能供热管网流程见图1。

图1 核能供热管网流程

热源侧的辅助蒸汽进入换热首站，通过换热首站汽水换热器产生高温热水送至小区换热站，通过小区换热站水水换热器产生热水送至用户侧，实现居民集中供暖。

2.4 供热调节

对于只有供暖热负荷且只有单一热源的热水供热系统，应在热源处根据室外温度变化进行集中质调节或集中质量调节。质调节基于用供热介质温度的调节适应室外温度变化来保持用户室内温度不变的原理，不改变循环流量，优点是供暖期大部分时间运行水温较低，可充分利用汽轮机低压抽汽，提高热电联产经济性。质量调节中，供水温度和管网流量随天气变冷而逐渐加大，可降低循环水泵耗电量，但操作复杂。

核能余热供暖工程主要采用分阶段量调节与质调节相结合的方式，当负荷变化较大时采用量调节，负荷波动范围较小时采用质调节，在尽可能降低水泵功耗的情况下，充分利用汽轮机的低压抽汽，提高热电联产的经济性。

3 核能供热安全性及防护措施

核能供热有别于常规热电厂供热，为保证核电站和供热系统的安全运行，提供可靠的清洁能源，核安全是首要考虑的因素。通过建立并保持对放射性危害的有效防御，保护人员、社会和环境不受辐射带来的危害。

核电站已有的安全防护措施可确保厂区人员、公众和环境的安全。核能余热供暖工程在核电站已有防护措施基础上，继续采取多重防护措施，做到有效隔离核辐射。

3.1 核能供热对核电站核安全的影响

核电站在放射性裂变产物与环境之间会设置3道安全屏障进行纵深防御。3道安全屏障是燃料基体和燃料包壳、反应堆冷却剂系统压力边界、安全壳。新增供热系统后不会影响核电站原有的3道安全屏障，也不会影响核电机组原有设计对放射性产物的包容性。当核电站原有安全屏障失效时，通过正常运行时的放射性监测、传热管破裂时事故处理及隔离回路设计等措施，可有效防止放射性物质通过供热系统进行扩散[4]。

3.2 多级非接触隔离回路

秦山核电机组正常运行时辅助蒸汽回路无放射性，但存在潜在放射性，根据HAF 102—2016《核动力厂设计安全规定》，辅助蒸汽不可直接引出核电站。考虑到回路隔离是核能供热中普遍采用的放射性隔离的有效措施，核能余热供暖工程在核电站已有隔离回路的基础上，继续采用表面式换热器设置两级隔离回路，确保供热过程中仅有热量交换，无供热介质交换，保证水质安全。核能余热供暖原理见图2。

图2 核能余热供暖原理

由图2可以看出，核反应堆产生的热能首先通过冷却剂回路进入蒸汽发生器，后经厂内蒸汽隔离回路进入厂内换热首站，再经热网循环水回路将热能传递至小区换热站，最后通过小区换热站的二次侧闭式循环水系统完成核能余热供暖过程。

当蒸汽发生器发生破管事故时，核电站原有设计会提供相关保护措施，包括核反应堆停堆、冷却剂回路自动降温降压等，终止冷却剂回路中放射性物质向蒸汽隔离回路泄漏；破管事故发生后，将会隔离蒸汽隔离回路，蒸汽隔离回路与热网循环水回路同时切断，防止蒸汽隔离回路放射性物质泄漏至热网循环水回路，同时也阻止了热网循环水回路的循环水流向用户循环水回路，实现物理隔离。即使所有热交换器都出现泄漏，也可以通过关闭所有管路上的阀门来终止泄漏，实现有效的物理隔离。

3.3 压差回路

核能余热供暖系统正常运行时，蒸汽隔离回路的辅助蒸汽压力为1.2 MPa，低于热网循环水回路供水压力(1.6 MPa)。若换热首站汽水换热器发生小范围泄漏，同时辅助蒸汽受到辐射污染，泄漏方向为热网循环水流向蒸汽侧，受污染的辅助蒸汽无法进入热网循环水回路中。

通过设计压差回路，热网侧压力高于热源侧压力，确保正常运行工况和事故工况下放射性物质均不会泄漏至热网循环水回路中。

3.4 放射性监测

核电站已有的蒸汽隔离回路放射性监测装置覆盖蒸汽发生器系统、凝汽器抽真空系统，通过设置放射性监测仪表，当蒸汽隔离回路蒸汽含有放射性时，放射性监测仪表能够及时探测报警并切断相关回路，防止蒸汽隔离回路蒸汽中的放射性物质扩散到环境中。

在核电站原有放射性监测装置基础上，本项目在换热首站的热网水供水侧设置了在线放射性监测装置、取样装置、紧急切断阀等。

放射性监测系统设计了两级报警，当放射性浓度触发一级报警时，对热网循环水进行手动取样分析；当放射性浓度触发二级报警时，立即切断热网循环水系统，并连锁切断辅助蒸汽供应，确保用户循环水回路不被污染。

4 运行实践

4.1 运行效果

2021年12月3日，秦山核能供热示范工程在海盐县正式投运，惠及近4 000户居民。2021—2022年供暖期，热网循环水放射性物质监测值均处于合格范围，未触发报警，也未发生破管事故，供暖系统整体运行平稳。

通过对2021—2022年供暖期换热首站运行数据进行统计分析，供暖期平均供暖热负荷为19.4 MW，与设计供暖热负荷19.2 MW基本一致；实际供暖年耗热量为11.02×104GJ/a，接近设计供暖年耗热量11.25×104GJ/a。首站供回水温度随室外日平均温度变化见图3。

图3 首站供回水温度随室外日平均温度变化

由于2021—2022年供暖期负荷波动较小，运行中主要采取阶段质调节方式，供回水温差总体保持稳定，满足居民用热需求。

4.2 环境效益

目前海盐县大部分生活区采用燃气锅炉供暖，燃气热能没有得到有效的梯级利用，尽管天然气的碳排放量显著低于煤炭，但天然气的碳排放量仍然很高，为469 g/(kW·h)，是核能碳排放量的29.3倍。

通过开展核能余热供暖，不仅实现了核能梯级利用，提高了核能利用效率，同时也减少了碳排放，核能余热供暖工程2021—2022年供暖期实际供暖年耗热量为11.02×104GJ/a，年代替标准煤3 747 t/a，年减少碳排放9 817 t/a。

4.3 社会效益

秦山核电核能余热供暖工程作为南方首个核能余热供暖项目，其顺利投产和稳定运行具有显著的社会效益，对开展核能综合利用起到了很好的示范和带动作用，对增强核能的社会友好性和开拓核能综合利用市场具有重要意义。同时该工程作为当地的民生工程，不仅带动了当地的经济发展，也满足了人民日益增长的供暖需求，为南方地区推广清洁能源集中供暖打造了新样板。