孟憲瑞，陳堅(jiān)剛，邱 波

(中核核電運(yùn)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(fā)展南方城市集中供暖的呼聲越來越高，相關(guān)話題多次被全國兩會提及。集中供熱項(xiàng)目為國家確定的優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，具有節(jié)約能源、提升供熱質(zhì)量、改善環(huán)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(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。

核電廠常規(guī)島凝汽器的真空度直接影響汽輪機(jī)的熱效率，在冬季，電廠三回路循環(huán)海水溫度降低，常規(guī)島凝汽器真空度與夏季相比，得到提高，進(jìn)而帶來核電廠汽輪機(jī)熱效率的提升，而核反應(yīng)堆堆功率不變，且未達(dá)到額定核功率，因此，核反應(yīng)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(jīng)濟(jì)、可靠的解決方案，利用核電廠剩余核功率進(jìn)行供暖或供熱，不但能夠提高核電機(jī)組的利用率，還能解決連續(xù)的采暖需求，并減少化石能源消耗及碳排放，具有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

1 南方核能供暖背景及供暖系統(tǒng)簡介

長江中下游地區(qū)冬季陰冷潮濕，公建設(shè)施及居民多采用空調(diào)、天然氣鍋爐等分散供暖方式取暖，能源消耗大，經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)大，供熱品質(zhì)低，舒適度差，對高品質(zhì)熱源供暖的需求迫切。中國國家主席習(xí)近平在召開的聯(lián)合國大會上表示：“中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。核能作為安全、清潔、無碳能源，對中國節(jié)能減排的重要作用已日漸凸顯。核能供暖的實(shí)現(xiàn)，具有重要的意義，滿足了經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的能源增長需求，協(xié)調(diào)了環(huán)境與能源、經(jīng)濟(jì)的和諧發(fā)展，提升了國家綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力及工業(yè)技術(shù)水平，為實(shí)現(xiàn)中國兩碳目標(biāo)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(yīng)堆發(fā)電的同時(shí)，產(chǎn)生熱水或蒸汽用于區(qū)域供熱，主要分布于東歐。這些項(xiàng)目合計(jì)超過1 000堆年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證了核能供熱的安全性與可靠性[1]。核電廠常規(guī)島凝汽器的真空度直接影響汽輪機(jī)的熱效率，在冬季，電廠三回路循環(huán)海水溫度降低，常規(guī)島凝汽器真空度與夏季相比，得到提高，進(jìn)而帶來核電廠汽輪機(jī)熱效率的提升，而核反應(yīng)堆堆功率有剩余。因此，核反應(yīng)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(jìn)行供暖或供熱，不但能夠提高核電機(jī)組的利用率，同時(shí)能解決約地方建筑的連續(xù)采暖需求。中國能源結(jié)構(gòu)以煤為主，冬季采暖期燃煤排放給環(huán)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(jù)有關(guān)部門研究計(jì)算，核電鏈排放系數(shù)為等效CO213.7 g/(kW·h)，只是同等規(guī)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(xiàng)目在某核電廠區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)供熱站，從常規(guī)島輔助蒸汽系統(tǒng)引出加熱蒸汽，在供熱站內(nèi)完成與供熱網(wǎng)循環(huán)水一次換熱，熱網(wǎng)循環(huán)水在二級換熱站內(nèi)完成與用戶側(cè)二次換熱。供熱系統(tǒng)與核電廠一回路系統(tǒng)通過用戶側(cè)回路、熱水循環(huán)水回路、二級換熱站回路、電廠二回路等，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(shù)已在核電、造船、航空、石化等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，可有效縮短施工工期、降低建造成本和風(fēng)險(xiǎn)。模塊化是指將復(fù)雜的系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)通過分割組成較小的、簡單的模塊，然后再通過組裝各個(gè)模塊，成為一個(gè)整體，最終完成整個(gè)系統(tǒng)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(jìn)行預(yù)制和組裝，并在施工現(xiàn)場直接安裝[4]。

傳統(tǒng)的供暖首站建造模式一般先建造廠房，然后在廠房內(nèi)安裝熱力、配電、控制等設(shè)備，存在建設(shè)周期長，項(xiàng)目一次性投資大等弊端，特別對于缺少集中供暖基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)(如中國淮河以南地區(qū))，用戶增長是個(gè)長期緩慢的過程，傳統(tǒng)的建造模式投資回報(bào)周期長，項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)大。采用完全模塊化設(shè)計(jì)建造技術(shù)，裝置由數(shù)個(gè)獨(dú)立功能的子模塊組合安裝，模塊內(nèi)集成建筑結(jié)構(gòu)、工藝系統(tǒng)布置、邏輯保護(hù)控制、動力設(shè)備配置、輻射監(jiān)測、通風(fēng)消防等功能，可在工廠內(nèi)完成整體制造、安裝及調(diào)試。模塊在電廠現(xiàn)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(yùn)輸、快捷拆卸特點(diǎn)。根據(jù)熱源及供暖用戶需求模塊裝置可按需逐臺建設(shè)，避免傳統(tǒng)建造模式的弊端。

2.1 模塊化研究

2.1.1 模塊供熱站系統(tǒng)研究

采用完全模塊化設(shè)計(jì)供熱站內(nèi)包含熱網(wǎng)加熱系統(tǒng)、熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)、熱網(wǎng)加熱器疏水系統(tǒng)、熱網(wǎng)補(bǔ)水定壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)和輻射監(jiān)測系統(tǒng)等如圖2所示。

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

(1)熱網(wǎng)加熱系統(tǒng)

熱網(wǎng)加熱蒸汽系統(tǒng)的功能是將常規(guī)島的輔助蒸汽輸送至熱網(wǎng)加熱器，用于采暖期加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。系統(tǒng)主要由熱網(wǎng)加熱器、管道閥門和儀表等組成。示范階段熱網(wǎng)加熱蒸汽引至廠區(qū)輔助蒸汽系統(tǒng)，參數(shù)為1.2 MPa、188 ℃，加熱蒸汽母管上設(shè)置關(guān)斷閥、調(diào)節(jié)閥，每臺熱網(wǎng)加熱器支路上設(shè)置關(guān)斷閥，起調(diào)節(jié)流量和隔斷作用。熱網(wǎng)加熱器設(shè)備上設(shè)置安全閥起到超壓保護(hù)的作用。蒸汽管道通過架空管線進(jìn)入換熱站，在換熱站內(nèi)低點(diǎn)位置設(shè)置自動疏水器。

(2)熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)

熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的功能是將熱網(wǎng)循環(huán)回水送至熱網(wǎng)加熱器升溫，再供至用戶二級換熱站。主要包含熱網(wǎng)除污器、熱網(wǎng)循環(huán)水泵、管道閥門和儀表等組成。

集成模塊內(nèi)設(shè)置3臺熱網(wǎng)循環(huán)水泵，每臺泵入口配置熱網(wǎng)除污器。熱網(wǎng)循環(huán)水回水先經(jīng)熱網(wǎng)除污器排污，再通過熱網(wǎng)循環(huán)水泵進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器，最后由供水母管送至用戶側(cè)換熱站。

熱網(wǎng)循環(huán)水泵設(shè)置止回閥旁路，避免水錘產(chǎn)生破壞。作用原理為當(dāng)泵突然停運(yùn)時(shí)，水柱瞬間中斷，熱網(wǎng)循環(huán)水回水管中的水能夠通過快啟式止回閥迅速進(jìn)入供水管，從而恢復(fù)壓力平衡。熱網(wǎng)加熱器的進(jìn)出口管路均設(shè)置電動蝶閥，起到隔離熱網(wǎng)加熱器的作用。

循環(huán)水供回水管路設(shè)置供水流量計(jì)，對進(jìn)出口熱量即時(shí)顯示、監(jiān)控。

(3)熱網(wǎng)加熱器疏水系統(tǒng)

凝結(jié)水回收系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)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(nèi)凝結(jié)水經(jīng)過熱網(wǎng)疏水泵輸送至疏水總管，最終送至回?zé)嵯到y(tǒng)凝汽器。凝結(jié)水回收裝置由疏水箱、熱網(wǎng)疏水泵、電動閥組、手動閥門、管件及儀表控制系統(tǒng)組成，主要回收熱網(wǎng)加熱器汽相變化后的凝結(jié)水。集成供熱裝置設(shè)置2臺熱網(wǎng)加熱器疏水泵，1臺運(yùn)行，1臺備用。

(4)熱網(wǎng)補(bǔ)水定壓系統(tǒng)

熱網(wǎng)補(bǔ)水定壓系統(tǒng)的功能是向熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口的回水管路上補(bǔ)水且定壓，以確保當(dāng)在熱網(wǎng)循環(huán)水泵停運(yùn)時(shí)，供熱管網(wǎng)內(nèi)任何一點(diǎn)不會發(fā)生汽化。熱網(wǎng)補(bǔ)水定壓系統(tǒng)，包括正常補(bǔ)水管路和事故補(bǔ)水管路。

正常補(bǔ)水時(shí)，管路兼作定壓用，生產(chǎn)水系統(tǒng)水進(jìn)入軟水箱，然后經(jīng)補(bǔ)水泵、調(diào)節(jié)閥進(jìn)入膜除氧裝置除氧，接入熱網(wǎng)循環(huán)水回水管補(bǔ)水且定壓。熱網(wǎng)事故工況下，正常補(bǔ)水無法滿足要求，通過事故補(bǔ)水管路進(jìn)行補(bǔ)水。

由生產(chǎn)水系統(tǒng)輸送的水經(jīng)過軟水器軟化后進(jìn)入補(bǔ)水箱。補(bǔ)水箱內(nèi)設(shè)有浮球閥，水滿后浮球閥自動關(guān)閉并且軟水器停止工作。補(bǔ)水箱設(shè)有就地磁翻板液位計(jì)及遠(yuǎn)傳超聲波液位計(jì)。補(bǔ)水泵與補(bǔ)水箱液位連鎖，軟化水經(jīng)補(bǔ)水泵加壓后進(jìn)入膜除氧裝置，膜除氧裝置設(shè)置流量、含氧量、電導(dǎo)率等參數(shù)的就地顯示功能。除氧后的軟化水經(jīng)流量計(jì)接入循環(huán)水回水管道，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量功能。膜除氧裝置設(shè)置旁路截止閥，當(dāng)膜除氧裝置出現(xiàn)故障時(shí)可臨時(shí)打開旁路截止閥，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

(5)電氣系統(tǒng)

本項(xiàng)目用電負(fù)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(wǎng)變頻循環(huán)泵三臺、變頻疏水泵兩臺、變頻補(bǔ)水泵兩臺、膜除氧裝置及輻射監(jiān)測儀表等重要設(shè)備的供電。配電系統(tǒng)除為模塊內(nèi)設(shè)備供電外，還為模塊外部疏水井及熱量計(jì)供電。模塊裝置設(shè)計(jì)有防雷接地、工作接地、保護(hù)接地，共用一個(gè)接地系統(tǒng)，利用模塊化集成裝置做自然接地體。

(6)儀控系統(tǒng)

供熱首站擬采用以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制系統(tǒng)。為了便于運(yùn)行人員對生產(chǎn)過程的監(jiān)視、控制和事故處理，在電廠控制室設(shè)置1臺操作員站，供熱首站設(shè)備的全部數(shù)據(jù)，通過光纖通信至操作員站集中監(jiān)控。在控制室內(nèi)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(nèi)進(jìn)行機(jī)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(shè)備包括數(shù)字控制機(jī)柜、工程師站和現(xiàn)場儀表等均安裝布置在模塊內(nèi)，其中控制機(jī)柜和工程師站布置在模塊內(nèi)的儀控設(shè)備間。

供熱首站監(jiān)控系統(tǒng)由控制室操作員站、PLC控制機(jī)柜和常規(guī)儀表構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)各種信號、數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)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(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。顯示畫面包括參數(shù)匯總畫面、工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)畫面、控制回路畫面、趨勢顯示畫面、報(bào)警參數(shù)畫面、檢測流程畫面等。

供熱站監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能：

1)數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)界面顯示、人機(jī)界面操控；

2)系統(tǒng)控制；

3)參數(shù)的設(shè)定、修改功能；

4)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行，完成供熱站控制系統(tǒng)監(jiān)控；

5)數(shù)據(jù)通信功能，將檢測到的供熱站參數(shù)通信至演示系統(tǒng)。

(7)輻射監(jiān)測系統(tǒng)

為防止?jié)撛诘姆派湫晕镔|(zhì)向外擴(kuò)散，確保供熱首站輸送水中的輻射安全符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在供熱首站接去廠區(qū)熱網(wǎng)循環(huán)水供水的母管管道上設(shè)置1臺符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求的連續(xù)輻射監(jiān)測儀，放射性監(jiān)測設(shè)備放置集成在供熱首站內(nèi)，實(shí)時(shí)輻射數(shù)據(jù)和報(bào)警信號可遠(yuǎn)傳至控制室操作員站，確保輻射安全可控。

2.1.2 模塊結(jié)構(gòu)布置

模塊化集成供熱裝置分為上下兩層，根據(jù)系統(tǒng)功能對模塊內(nèi)部進(jìn)行布置，考慮到吊裝及系統(tǒng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Modular device internal structure diagram1—熱網(wǎng)加熱器；2—蒸汽電動調(diào)節(jié)閥；3—熱網(wǎng)循環(huán)泵；4—軟水器；5—凈水箱；6—膜除氧裝置；7—凝結(jié)水泵；8—控制機(jī)柜；9—蒸汽管道入口；10—入口過濾器；11—基座；12—隔離閥；13—循環(huán)水出口；14—循環(huán)水入口

2.1.3 模塊安裝與調(diào)試

模塊在工廠內(nèi)完成建造組裝并進(jìn)行單體調(diào)試，確保設(shè)備信號控制正確，驗(yàn)收合格后進(jìn)行拆分，拆分為模塊A、模塊C、模塊D、模塊F及室內(nèi)室外散件(見表1)運(yùn)輸至電廠，模塊間經(jīng)過高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行現(xiàn)場固定，組合后構(gòu)成換熱站。所有模塊就位組合完成后對地腳螺栓進(jìn)行進(jìn)行二次澆灌，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試即可投入運(yùn)營。換熱站采用模塊化建造方式大幅度減少工程造價(jià)及建設(shè)周期，每kW造價(jià)小于2 000元，工廠制造周期小于150 d，現(xiàn)場安裝周期40 h。

表1 模塊內(nèi)設(shè)備構(gòu)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(tǒng)安全設(shè)計(jì)

核蒸汽回路與熱網(wǎng)循環(huán)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(shè)計(jì)，保證兩個(gè)回路介質(zhì)的物理隔離。

循環(huán)水管網(wǎng)補(bǔ)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(jìn)入循環(huán)水回路。

(2)控制保護(hù)安全設(shè)計(jì)

設(shè)置汽水壓差中選信號，通過設(shè)置3塊汽水壓差表進(jìn)行取中選取，通過監(jiān)測循環(huán)水系統(tǒng)壓力與蒸汽系統(tǒng)壓力低于保護(hù)值，及時(shí)自動關(guān)閉換熱站蒸汽閥門。

裝置設(shè)計(jì)采用故障安全理念，任一能動設(shè)備在失去動力源時(shí)應(yīng)處于安全位置，確保設(shè)備和人員的安全。

(3)三重泄漏監(jiān)測措施

核電廠二回路輻射監(jiān)測、熱網(wǎng)循環(huán)水輻射監(jiān)測、傳熱管泄漏監(jiān)測三種監(jiān)測手段保障放射性物質(zhì)不進(jìn)入熱網(wǎng)循環(huán)水回路。

設(shè)置蒸汽系統(tǒng)放射性監(jiān)測信號，通過監(jiān)測核電廠提供蒸汽放射性，及時(shí)自動關(guān)閉蒸汽閥門，確保核電廠蒸汽系統(tǒng)有放射性時(shí)及時(shí)停止向核能供暖換熱站提供蒸汽。

設(shè)置循環(huán)水系統(tǒng)放射性監(jiān)測信號，通過監(jiān)測循環(huán)水系統(tǒng)放射性數(shù)值，及時(shí)自動停止供暖系統(tǒng)運(yùn)行，關(guān)閉換熱站循環(huán)水側(cè)及蒸汽側(cè)閥門，停止向居民提供循環(huán)水。

設(shè)置傳熱管泄漏監(jiān)測信號，通過循環(huán)水系統(tǒng)壓力大于蒸汽系統(tǒng)壓力，確保傳熱管破損時(shí)蒸汽側(cè)無法溢至循環(huán)水系統(tǒng)，防止有潛在放射性蒸汽進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)。

模塊化裝置安全保護(hù)邏輯示意圖如圖5所示。

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

3 南方核能供暖應(yīng)用及效益分析

模塊化核能供暖裝置首臺產(chǎn)品已在核電核能供暖示范項(xiàng)目中建造及投運(yùn)，相對常規(guī)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(guī)供熱站對比Table 2 Comparison between modular device and conventional heating station

(1)環(huán)境效益

示范項(xiàng)目單套模塊裝置設(shè)計(jì)負(fù)荷37.5 MW，按平均熱負(fù)荷25.65 MW，采暖時(shí)間99 d計(jì)算，本裝置每年可實(shí)現(xiàn)采暖供熱量18.9萬GJ，相當(dāng)每年減少標(biāo)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(huán)境效益。

(2)經(jīng)濟(jì)效益

核能供暖項(xiàng)目使用核電機(jī)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(jī)組熱效率。

核能供暖集成供熱裝置采用一體化模塊化設(shè)計(jì)制造，大幅度減少工程造價(jià)及建設(shè)周期，每千瓦造價(jià)小于2 000元，工廠制造周期小于150 d，現(xiàn)場安裝周期僅40 h。

(3)社會效益

首臺產(chǎn)品已在核電核能供暖示范項(xiàng)目中建造及投運(yùn)，有效提升居民幸福感，為分步推進(jìn)南方公用設(shè)施及居民供暖設(shè)施建設(shè)起到示范作用。

首個(gè)供暖季連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行100 d，為4 000家居民實(shí)現(xiàn)供熱保障，供熱價(jià)格比較過去降低1/3，為南方核能集中供暖積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

南方核能供暖項(xiàng)目案例入選《2022企業(yè)氣候行動案例集》，在《聯(lián)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(rèn)可。

4 結(jié)束語

核能作為清潔、安全、無碳能源，對中國節(jié)能減排的重要作用已日漸凸顯。核能供暖的實(shí)現(xiàn)對滿足中國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展不斷增長的能源需求，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境、能源和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要意義。模塊化核能供暖裝置創(chuàng)新使用由數(shù)個(gè)功能子模塊組合而成模塊化設(shè)計(jì)，集工藝、電氣、控制、保護(hù)、構(gòu)筑物、通風(fēng)、消防、輻射監(jiān)測等功能于一體，具有靈活選址、快捷運(yùn)輸、快捷安裝等特點(diǎn)。通過利用核電的清潔、高效、經(jīng)濟(jì)的特有優(yōu)勢進(jìn)行大規(guī)模集中供暖，助力浙江省創(chuàng)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(jīng)濟(jì)社會高水平創(chuàng)新發(fā)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(jìn)南方公用設(shè)施及居民供暖設(shè)施建設(shè)起到示范作用。