核电机组核能供热工程实践效益分析

王红福，高钰文，徐艳凤，杨志刚

（山东核电有限公司，山东 海阳 265116）

0 引言

利用大型压水堆机组进行供热在国际上已有成熟经验，如俄罗斯、瑞士、芬兰等国家从20世纪六七十年代开始进行核能供热技术研发与应用，其技术路线包括抽汽供热与单纯供热两种方式，核能供热的安全性与可靠性已经得到验证。

利用核能供热一直是我国核能综合利用研究的一个重要方向[1-3]。国内自20世纪80年代开始有核能供热技术的研究及应用。国内大学及各设计院，针对核能供热分别推出不同类型的核供热堆或热电联供堆[4-6]，例如清华的200 MWt低温供热堆、国家电投中央研究院的HAPPY200低温供热堆，上海核工院的CAP200热电联供堆，中核集团的燕龙供热堆等，但尚未有商用项目建成。目前国内已投运的大型核电机组中，仅有红沿河核电、海阳核电及秦山核电等机组为厂内建筑物供热，尚未有对外商业供热实践。

核能供热相比于其他清洁供热方式，具有低碳清洁、供热成本低、运行稳定等优势，是当前不可多得的、较为成熟的替代一次能源、满足大规模集中供热基本负荷需求的方法，蕴藏着巨大的市场空间。核电厂在供电的基础上实现供热，可以进一步提高核电厂热能的综合利用率，环保效益更加明显。国家发展清洁取暖、降低煤炭消费总量的政策，为核能供热提供了政策支持。本文以某核电机组核能供热示范项目为例，对核能供热的原理、运行参数、实施效果等方面进行探讨，实践证明了该方案的可行性。

1 某核电一期工程核能供热介绍

某核电一期工程核能供热示范项目，利用核电机组辅助蒸汽系统为所在城市7×105m2热用户供热。该项目利用第三代核电机组具有的更高的安全性和更灵活的负荷跟踪特性等优势，参考国内外核能供热经验，率先进行了大型压水堆核电厂商用供热示范项目的研究和实施，在核电厂区内设置供热首站。首站内设置热网加热器，厂区的辅助蒸汽系统通过加热器加热循环水，循环水泵将加压加热后的循环水供至厂外一级热力站，蒸汽在加热器内放热凝结后的疏水回收至凝汽器。供热原理示意图如图1所示。

图1 核能供热原理示意图

该项目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。在极端情况下，蒸汽发生器传热管破裂，机组辐射监测仪表发出报警信号，机组将停止运行，放射性辐射不会外泄。在更极端的情况下，蒸汽发生器传热管破裂，恰逢热网加热器发生泄漏，也将因热网循环水侧压力高于加热器蒸汽侧压力，供热管网的循环水将泄漏至蒸汽或疏水侧，而放射性物质不会外泄。在上述多重屏障的基础上，可确保放射性物质不传向热用户。

2 核能供热近况统计分析

从2019年冬季开始，该核电厂实施核能供热。2019—2020年供热期为2019-11-15至2020-03-15。2020—2021年供热期为2020-11-14至2021-03-29。图2—5分别为两个冬季核能供热蒸汽流量、气温、核能供热的热功率、影响发电功率变化趋势。表1为两个冬季核能供热主要参数与设计值对比。由图2—5及表1可见：

表1 两个冬季核能供热主要参数

图2 2019—2020年核能供热蒸汽流量和气温变化趋势

图3 2019—2020年核能供热功率和影响发电功率变化趋势

图4 2020—2021年核能供热蒸汽流量和气温变化趋势

图5 2020—2021年核能供热功率和影响发电功率变化趋势

1）核能供热的热功率与核能供热辅助蒸汽流量成正比，供热功率、辅助蒸汽流量与大气温度成反比。1月份大气日平均温度最低，核能供热功率、核能供热辅汽流量最高；11月份及3月份大气日平均温度最高，核能供热功率、核能供热辅汽流量最低。

2）核能供热蒸汽流量、核能供热功率、影响发电功率较为稳定，均值比较接近。核电机组两个供热期均值：核能供热蒸汽流量分别为35.7 t∕h和 34.5 t∕h；核能供热功率分别为25.6 MWt和24.7 MWt；影响发电功率分别为6.6 MWe和6.4 MWe。

3）按照理论计算，供热面积为7×105m2时，年供热量设计值为2.65×105GJ。2019—2020年冬季热负荷为2.69×105GJ，2020—2021年冬季热负荷为2.88×105GJ，实际热负荷高于设计热负荷，满足供热需求。

4）按照设计采暖热指标及蒸汽参数，供热面积为7×105m2时，供热蒸汽最大流量为46.2 t∕h，平均流量为35 t∕h。当前辅助蒸汽的裕量为50 t∕h，辅助电锅炉备用容量为70 t∕h，由此可见热源侧蒸汽容量充足，可满足7×105m2居民采暖需要，运行抽汽参数总体平稳。

3 核能供热实施效果分析

3.1 供热稳定且故障率低

核能供热辅助蒸汽汽源为1号和2号机组主蒸汽及辅助电锅炉。两台机组正常运行时，可由任意一台机组供热，供热机组故障时切换至另一台机组提供辅助蒸汽，两台机组互为备用。辅助电锅炉可以随时投入运行，热力公司热水锅炉保持冷态备用，进一步提高了核能供热的可靠性。据热力公司反馈，故障率由之前的1.63%降为0.38%。采用核电厂供热故障率大幅下降，提高了供热可靠性；热用户室内温度提升明显，采暖质量提高，投诉率降低。

3.2 供热设备安全可靠

加热蒸汽来自常规岛，不影响核安全，对核岛总参数、运行瞬态及核安全无影响。二回路蒸汽经隔绝屏障后将热量传递给热用户，热网循环水侧压力高于二回路供热辅助蒸汽压力，可防止放射性辐射释放至热用户。2019—2021年供热设备总体运行平稳，未发生热网加热器泄漏等情况。

3.3 减少环境污染

该核电机组供热示范项目的投运可替代该地区热力公司现有的29 MW燃煤锅炉，每年供热季可替代标准煤量11 128 t，减排107.2 t烟尘、184.1 t二氧化硫、1 74.0 t氮氧化物及2.7×104t二氧化碳，减排效果显著，有效保护环境。

3.4 提高了能源综合利用效率

在现阶段发电能力严重过剩的情况下，冬季电力负荷需求受限，会出现核电机组调峰情况。利用核电机组供热可进一步提高设备利用小时数，提升机组整体热效率。该核电厂核能供热示范项目投运后，全厂热效率由36.69%提升为37.17%。

3.5 实现大体量长距离供热

该核电厂一期核能对外供热工程一次规划，分步实施。目前已完成利用现有厂区辅助蒸汽系统对所在城市7×105m2面积供热，取得良好收益。下一步通过汽轮机抽汽对所在城市4.5×106m2面积实现大体量长距离供热。

3.6 节省人力资源成本

对采用核能供热前后热力公司人员配置进行调研，结果如表2所示。由表可知，因直接采用核电厂提供的蒸汽，无需锅炉加热，运行更加简化，热力公司人员配置较往年减少20人。核电厂供热首站新增5名供热值班员，总计可减少15人。可见，核能供热可减少用工数量，节省了人力资源成本。

表2 热力公司核能供热前后人员配置对比

4 结语

某核电厂核能供热项目各项指标达到设计值要求，参数稳定，总体运行平稳，供热质量提高，居民采暖可靠性提升，热用户投诉率降低。核能供热项目提高了能源综合利用效率，减排效果显著。长远来看，随着后续机组的建设投产，该核电厂可实现长距离供热，满足大规模集中供热基本负荷需求，进一步提高运营经济性。