馮剛

機器轟鳴，人聲沸騰，5月27日，伴隨著打樁機的轟鳴聲，第一罐混凝土在江蘇連云港的田灣核電蒸汽供能項目能源站正式澆筑。這標(biāo)志著全國工業(yè)園區(qū)首個核能供汽工程——中核集團田灣核電蒸汽供能項目全面拉開建設(shè)帷幕。

該工程預(yù)計將在2023年底正式完工，屆時，零碳排放的清潔蒸汽將從田灣核電站源源不斷地輸向江蘇連云港徐圩新區(qū)石化基地，國內(nèi)核能供汽也將真正邁向?qū)嵺`應(yīng)用，我國的核能綜合利用由此又向前推進(jìn)了一大步。

原理就像“自嗨鍋”

核能是清潔低碳、安全高效的穩(wěn)定基荷能源，在清潔替代和能源生產(chǎn)與消費革命的轉(zhuǎn)型中具有突出優(yōu)勢。核能供汽，顧名思義就是利用核電站的熱量，供應(yīng)工業(yè)蒸汽。它是目前滿足石化產(chǎn)業(yè)用汽需求，降低綜合能耗和減輕環(huán)境污染的一種新途徑。

用核能“燒開水”發(fā)電，這是許多網(wǎng)友對核能供氣的有趣調(diào)侃，而這句調(diào)侃也從本質(zhì)上道出了核電站的發(fā)電原理——依靠核裂變釋放能量將水加熱轉(zhuǎn)化為蒸汽，從而驅(qū)動汽輪機發(fā)電。但蒸汽不光可以用來發(fā)電，它在工業(yè)生產(chǎn)中同樣大有用途。

比如對于田灣核能供汽項目主要的供汽對象石油化工企業(yè)來說，蒸汽是生產(chǎn)過程中不可缺少的熱源和動力源。不僅石油在煉化過程中需要使用蒸汽進(jìn)行熱能量轉(zhuǎn)化，就連輸油管道也需要蒸汽進(jìn)行保溫和伴熱。

“其實，我們可以把這一過程想象成‘雙層加熱的‘自嗨鍋?！敝泻思瘓F江蘇核電專家咨詢組組長謝江紅給核能供汽項目作了一個形象的比喻。

謝江紅說，我國的核電站由核島和常規(guī)島組成，其中，在核島內(nèi)進(jìn)行的核反應(yīng)就是一回路，一回路吸收核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，將二回路內(nèi)的水變成蒸汽，也就類似于“雙層加熱自嗨鍋”最外層的加熱包。二回路就是常規(guī)島，在核能發(fā)電時，二回路的蒸汽在汽輪機里面膨脹做功，將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為汽輪機的旋轉(zhuǎn)動能，并帶動發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。

而在供應(yīng)工業(yè)蒸汽時，一小部分二回路蒸汽會通過單獨的管道前往三回路。因此，二回路也就相當(dāng)于“雙層加熱自嗨鍋”中間的加熱包。三回路即工業(yè)蒸汽回路，這里面有淡化后的海水。來自二回路的蒸汽又會將這些淡化海水加熱形成滿足石化產(chǎn)業(yè)園參數(shù)要求的工業(yè)蒸汽，最終經(jīng)過三回路管網(wǎng)傳送到用汽端。也就是說，三回路內(nèi)的淡化海水就是“雙層加熱自嗨鍋”的“食材”，最終成為工業(yè)蒸汽。

雙重隔離保安全

目前，我國工業(yè)企業(yè)所用的工業(yè)蒸汽主要來自燃煤電廠或者自備的燃煤鍋爐。將核電站生產(chǎn)的蒸汽提供給工業(yè)企業(yè)，國際上部分核電站已有多年的發(fā)展經(jīng)驗，相關(guān)技術(shù)也已較為成熟。但核電站與火力發(fā)電廠畢竟不同，提起核能，安全一直是人們首要關(guān)心的問題。核能供汽如何保證安全？

對此，中國核能電力股份有限公司（以下簡稱中國核電）旗下江蘇核電有限公司維修總經(jīng)理、蒸汽供能項目負(fù)責(zé)人劉永生介紹說，為了保障安全性，項目設(shè)計了三重保障體系，采用多級完全隔離的換熱方式來制備工業(yè)蒸汽。首先通過核電站自帶的四道安全屏障保障二回路蒸汽清潔安全，沒有輻射。其次借助獨立管道系統(tǒng)確保一回路和二回路、二回路和輸氣的三回路之間物理隔離，保證在主換熱器泄漏的情況下放射性也不會進(jìn)入供熱管道。而且，在每個回路中還都設(shè)置有輻射監(jiān)測設(shè)備，時刻監(jiān)測二回路、三回路的蒸汽放射性在自然環(huán)境的本底，確保安全。所以在核能供汽過程中，只涉及熱量交換，沒有任何水或者蒸汽的物質(zhì)交換，因此可以最大程度保證工業(yè)蒸汽的安全性。

謝江紅也表示，在這個過程中，核電站與用戶端之間不會直接發(fā)生聯(lián)系，設(shè)計上采用核電站一回路與二回路、二回路與工業(yè)蒸汽回路的雙重隔離，在物理隔絕的情況下，確保核能供汽技術(shù)安全可靠、清潔高效。

“全程只有熱量的傳遞，在不影響現(xiàn)有核電機組安全性的前提下，通過技術(shù)改造從設(shè)計源頭上確保核能供汽清潔安全，符合工業(yè)蒸汽各項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?！敝x江紅說。

減排效果很明顯

但抽走一部分二回路中的蒸汽，會不會導(dǎo)致發(fā)電站的運行效率降低呢？專家介紹，如果僅從發(fā)電量來看，抽取一小部分二回路中的蒸汽，確實會導(dǎo)致進(jìn)入汽輪機系統(tǒng)進(jìn)行做功發(fā)電的蒸汽總量有所減少，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電量降低。但如果從核電站的整體熱效率來看，抽走用于生產(chǎn)工業(yè)蒸汽的這一部分蒸汽，不僅沒有使整體熱效率降低，反而使其有所提升。

為此劉永生算了一筆賬：“進(jìn)入汽輪機做功發(fā)電的熱源蒸汽的熱效率一般在35%左右，而用于生產(chǎn)工業(yè)蒸汽的熱源蒸汽效率可達(dá)90%。因此從整個機組的運行工況來看，核電站的實際熱效率得到了提高?！?/p>

2021年10月，國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動方案》聚焦“十四五”和“十五五”兩個碳達(dá)峰關(guān)鍵期，明確指出了提高非化石能源消費比重、提升能源利用效率、降低二氧化碳排放水平等主要目標(biāo)。

石化產(chǎn)業(yè)、鋼鐵產(chǎn)業(yè)都是高耗能產(chǎn)業(yè)，其能源長期主要依賴于天然氣、煤等化石能源，而在全球化石能源緊缺、價格上漲的背景下，聚焦“碳達(dá)峰”“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，核能供汽可以替代天然氣、煤等化石能源，為石化、鋼鐵等高耗能產(chǎn)業(yè)提供安全、穩(wěn)定、高效、零碳的清潔能源，助力全國石化等高耗能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，對實現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要的、標(biāo)志性的意義。

謝江紅給記者算了這樣一筆經(jīng)濟賬，項目建成后，每年可為連云港石化基地提供480萬噸工業(yè)蒸汽，每年可實現(xiàn)減少燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤40萬噸，等效減排二氧化碳107萬噸、二氧化硫184噸、氮氧化物263噸，相當(dāng)于新增植樹造林面積2900公頃。同時每年為石化基地節(jié)省了70多萬噸碳排放指標(biāo)，提供了更多的環(huán)境空間。

“折算一下，40萬噸的標(biāo)準(zhǔn)煤相當(dāng)于11428節(jié)火車皮拉的煤炭，也就是說，平均一天可節(jié)省32車煤炭。而使用1噸核能制備的工業(yè)蒸汽，至少可以減少0.22噸的碳排放、節(jié)省0.15噸碳排放指標(biāo)，這是一個相當(dāng)高的比例，有著明顯的減排效果。”

江蘇方洋能源科技有限公司項目負(fù)責(zé)人郝敏也表示，核電零碳蒸汽將有助于連云港徐圩新區(qū)成為國內(nèi)化工行業(yè)首個核能零碳供汽園區(qū)。

“零碳”供暖是趨勢

在謝江紅看來，核能綜合利用與高耗能行業(yè)耦合發(fā)展將進(jìn)一步凸顯核能的零碳價值。隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)、能源安全戰(zhàn)略的深化落實，核能將在支撐我國“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)過程中發(fā)揮不可或缺的作用，核能的綜合利用也將迎來新的發(fā)展機遇。

核能供熱技術(shù)是目前運用較為廣泛的一項核能綜合運用技術(shù)。謝江紅介紹說，在世界范圍內(nèi)，已有50余座反應(yīng)堆發(fā)電的同時進(jìn)行核能供熱，累積安全運行1000堆年（1堆年即指1個反應(yīng)堆運行1年）。在蒸汽供能項目正式開工建設(shè)前，核能供暖已經(jīng)溫暖了我國南北的兩座小城。浙江海鹽、山東海陽，都在上一個冬天相繼用上了核能供暖。

2019年11月，山東海陽核電核能供熱項目一期工程投用后，向當(dāng)?shù)?0萬平方米居住的7757戶居民供熱，這是我國首個核能民用集中供熱項目。2021年11月，二期工程投用也已經(jīng)投用，向當(dāng)?shù)?50萬平方米內(nèi)的20萬居民供熱，山東海陽依靠“暖核一號”提供的清潔熱量成為了全國第一個“零碳”供暖城市。

核能供暖、核能供汽，本質(zhì)上提供的都是以水蒸氣為載體的熱量。但核能的用途還遠(yuǎn)不止于此，借助核電站堆芯內(nèi)發(fā)生的核反應(yīng)，輻照含有氮元素的靶件，可以實現(xiàn)碳14的生產(chǎn)。據(jù)悉，2022年4月底，全球首批商用堆碳14輻照生產(chǎn)靶件已在中核集團秦山核電三廠2號重水堆機組入堆，開始大規(guī)模生產(chǎn)碳14同位素，預(yù)計將于2024年開始向市場提供相關(guān)產(chǎn)品。屆時，我國碳14完全依賴進(jìn)口的局面將得到根本性改變。

制氫淡化是好手

此外，核能在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)方面都有著廣泛運用，而核能制氫是更具有前景的清潔氫生產(chǎn)手段，具有分解效率高、便于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)勢。

在核能技術(shù)中，高溫氣冷堆可以為制氫工藝同時提供電能和熱能，并且不釋放溫室氣體，還具有分解效率高、便于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)勢。去年年底，我國首座高溫氣冷堆核電站——石島灣高溫氣冷堆核電站已正式發(fā)電。

目前，核能制氫的關(guān)鍵技除了核能供汽外，核能在海水淡化方面發(fā)揮的作用也不可小覷。江蘇核電設(shè)計部門常規(guī)島工藝科副科長張震說，核電站有三大特點：靠海邊、有蒸汽能源、有電。這三點正是海水淡化的主要條件。核電的蒸汽、電又是清潔零碳能源，因此，核電開展海水淡化也是核能綜合利用的一個重要方向。

田灣核電站海水淡化項目設(shè)計淡水產(chǎn)能為每小時1520噸，最大可達(dá)到每小時1680噸，采用的是膜法海水淡化工藝。張震介紹，其用途是向田灣核電站1到8號機組除鹽水子項、廠區(qū)冷卻水、工業(yè)蒸汽供能項目等提供淡水。項目投產(chǎn)后，將節(jié)省每小時1520噸的淡水系統(tǒng)的供應(yīng)，同時還可以充分利用核電站溫排水余熱，每年能減少溫排水排放量約8600兆瓦，減少溫排水的排放量將有利于保護海洋生態(tài)環(huán)境。未來，在有需求的情況下，核電站也能夠為工業(yè)用戶、城市居民提供具備飲用條件的海水淡化水。