放射性廢物最小化技術(shù)經(jīng)濟性分析模型

宋云龍, 吳志鋒

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連，116300)

1 廢物最小化技術(shù)經(jīng)濟性分析需求

1.1 廢物處置面臨形勢

截至2019年6月我國大陸地區(qū)已有在運核電機組47臺，裝機容量為4 873萬千瓦時，以每臺機組每年產(chǎn)生50 m3放射性固體廢物估算，每年大陸地區(qū)將會產(chǎn)生2 350 m3放射性固體廢物，隨著新建核電機組逐步投入運營，這一數(shù)字還將不斷快速增長。目前我國已建成的低放、中放廢物處置場有西北北山處置場、四川飛鳳山處置場和廣東北龍?zhí)幹脠?，只有北龍?zhí)幹脠鍪瞧髽I(yè)自行出資建設(shè)，是國內(nèi)唯一的商用處置場,其設(shè)計總處置容量80 000 m3，首先建造8個處置單元(可處置8 800 m3)和整個處置場的全部公用設(shè)施。目前我國除大亞灣核電基地的放射性廢物部分送至北龍?zhí)幹脠鐾猓溆喔骱穗姀S的低放均暫存在各自的暫存庫中。其中，個別核電廠暫存的廢物已超過國家規(guī)定的暫存期限(5a)[1]。

我國某核電廠自首臺機組商運以來，已產(chǎn)生放射性廢物840.7 m3，四臺機組商運后平均每年產(chǎn)生 166.9 m3，預(yù)估6臺機組商運后平均每年產(chǎn)生250.4 m3，其放射性固體廢物暫存廠房的設(shè)計容量3 376 m3，如不考慮其5/6號機組建設(shè)時間，預(yù)計最多十年存儲的廢物將達到廠房設(shè)計容量的上限。由于其所在省份低放廢物處置場建設(shè)、竣工時間及處置費用不確定，該核電廠必須不斷提升廢物最小化水平，以應(yīng)對最壞的情況。

整體來看國內(nèi)大部分核電廠均存在放射性固體廢物暫存的壓力，而且隨著運營時間的增長，這個壓力會越來越大。在區(qū)域性可用的低放廢物處置場建成之前，相關(guān)核電廠將面臨嚴(yán)峻的廢物處置形勢。

1.2 廢物最小化新技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，單純依靠對可壓縮固體技術(shù)廢物進行壓縮已經(jīng)不能滿足核電廠放射性固體廢物減容的需求，這個需求來自外部監(jiān)管部門和電廠內(nèi)部對年廢物產(chǎn)量的管理要求、電廠內(nèi)的暫存庫容壓力以及未來處置費用的不確定性。各核電廠已開始從材料/備件選擇、運行及維修工藝管理、廢物精細管理、廢物處理等方面進行優(yōu)化，很多時候是幾項優(yōu)化同時實施。

通過分析廢物最小化新技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，廢物最小化的工作重心由原來的后端控制逐漸變?yōu)榍岸丝刂坪瓦^程控制；從單個環(huán)節(jié)優(yōu)化發(fā)展為多個環(huán)節(jié)優(yōu)化；從非主要系統(tǒng)相關(guān)變?yōu)橹饕到y(tǒng)相關(guān)；在管理方面也越來越趨向于精細化和多元化。

1.3 經(jīng)濟性分析需求

很多廢物最小化技術(shù)均需要核電廠通過立項采購來實施，在立項過程中核電廠相關(guān)部門需對項目的經(jīng)濟性進行審核。在對這些項目進行經(jīng)濟性分析時，不僅需要考慮廢物減容量，還需要對所采用技術(shù)各個環(huán)節(jié)的成本及收益進行分析，將整體的成本和收益進行比較來判斷其經(jīng)濟性。即使某些最小化項目有著明顯的成本優(yōu)化效果，我們也需要在立項階段全面的分析其經(jīng)濟性情況，以供有多個優(yōu)化方案的情況下進行經(jīng)濟性比較。為了能夠簡單明了且較全面的完成放射性廢物最小化技術(shù)的經(jīng)濟性分析，建立一個可用于所有最小化技術(shù)經(jīng)濟性分析的模型十分必要。

2 廢物最小化技術(shù)分析

合理和明確的最小化技術(shù)拆解分析，對于項目經(jīng)濟性分析會有很大的幫助。絕大部分的技術(shù)廢物和工藝廢物均來源于機組運行和維修過程中使用的耗材和備件，以及放射性系統(tǒng)中的介質(zhì)，其在運行和維修活動中被污染變?yōu)榉派湫詮U物，放射性廢物經(jīng)過處理后形成廢物貨包。根據(jù)放射性廢物在各個階段的狀態(tài)和其所經(jīng)歷的活動，廢物最小化技術(shù)通?？煞譃楹牟膫浼?yōu)化、運行維修工藝優(yōu)化、廢物優(yōu)化、處理技術(shù)優(yōu)化等四個優(yōu)化環(huán)節(jié)(見圖1)。

2.1 耗材備件優(yōu)化

耗材備件優(yōu)化手段主要有兩類，一類是通過優(yōu)化耗材備件質(zhì)量、性能或尺寸，來降低使用的數(shù)量或體積，以減少廢物產(chǎn)量；另一類是使用特殊材質(zhì)耗材備件以便于在廢物處理時能選取減容系數(shù)較大的處理工藝。例如，選用易去污材料和耐久性較好的材料、在滿足需求的情況下改變材料的尺寸、選用可降解的材料、選用可焚燒處理的材料、選用可復(fù)用的材料等等。

比較成功的案例有：精細化管理塑料布，針對工作中不同的防表面污染需求采購不同厚度的塑料布，最大限度的降低塑料布廢物體積；采購可復(fù)用式空氣凈化濾芯，重復(fù)使用濾芯金屬框架；采購聚乙烯材質(zhì)塑料布，便于處理時選擇焚燒工藝。

2.2 運行維修工藝優(yōu)化

運行維修工藝優(yōu)化包括通過優(yōu)化某些系統(tǒng)的運行方式、運行參數(shù)、運行狀態(tài)從而減少工藝廢物，或者通過優(yōu)化維修工藝來減少技術(shù)廢物。例如，通過修改運行參數(shù)減少除鹽床樹脂填充量、通過優(yōu)化系統(tǒng)廢液排放管理減少濃縮液產(chǎn)量、通過優(yōu)化維修工作流程減少防護用品或耗材使用量、通過提升維修水平降低設(shè)備部件報廢率等等。

比較成功的案例有：通過工藝優(yōu)化將TEP006DE填裝量由1 500 L減容至500 L；通過優(yōu)化維修工作工序，減少班組成員進出放射性污染場地次數(shù)，降低防污染附加防護用品使用量。

2.3 廢物管理優(yōu)化

廢物管理優(yōu)化是指在廢物被處理形成貨包前進行的優(yōu)化，一方面是通過管理手段或技術(shù)手段提升廢物復(fù)用率和再利用率，另一方面是將沒有利用價值的廢物通過精細化管理最大化的進行極低放與低放分別存放管理，將極低放根據(jù)情況暫存后解控或進行填埋處理，從而最大限度的降低放射性廢物處理成本。例如腳手架管去污后復(fù)用、臨時專用設(shè)施軟管復(fù)用、蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)濾芯及樹脂解控、通風(fēng)濾芯拆解后框架和濾紙分別處理、報廢連體服等極低放廢物單獨暫存等等。

2.4 廢物處理技術(shù)優(yōu)化

廢物處理技術(shù)優(yōu)化是針對已確定為放射性廢物的物項進行最優(yōu)處理技術(shù)選擇，以實現(xiàn)減容系數(shù)和經(jīng)濟性最優(yōu)化。例如通過改變處理工藝增加單桶承載量、焚燒處理、極低放廢物填埋處置等等。

3 廢物最小化技術(shù)經(jīng)濟性分析模型

3.1 廢物管理成本分析

核電廠產(chǎn)生放射性廢物所帶來的成本主要包括廢物處理成本、暫存成本和處置成本，其中暫存成本基本可以近似為固定值，其主要包括暫存期間廢物的管理和廠房管理相關(guān)成本。為了較為直觀的了解放射性廢物所帶來的成本，以及此成本對核電廠效益的影響，我們可以使用度電放廢成本來評價。為了排除部分核電廠發(fā)電形勢不好對此值的影響，我們可以統(tǒng)一使用設(shè)計度電放廢成本來評價，這個值可以用來做各核電廠放射性廢物管理水平的橫向?qū)?biāo)。設(shè)計度電放廢成本(C)可表示為：

C=(VA×CA+CB+VA/F×CC+VB×CD)/E

(1)

式中，VA表示年低放廢物產(chǎn)生體積(處理前)，m3；VB表示年極低放廢物產(chǎn)生體積，m3；CA表示單位體積低放廢物處理成本單價，元/m3；CB表示年廢物暫存成本，元；F表示電廠放射性固體廢物綜合減容系數(shù)(表示各類廢物的整體減容效果)；CC表示單位體積低放廢物貨包處置成本單價，元/m3；CD表示單位體積極低放廢物處置成本單價，元/m3；E表示核電廠設(shè)計年發(fā)電量，千瓦時。

從上式我們可以看出，在CA、CB、CC、CD不變的情況下，如果想降低C值，在廢物管理可控的范圍內(nèi)，我們只需盡可能降低VA+VB、提高F。耗材備件優(yōu)化、運行維修工藝優(yōu)化、廢物管理優(yōu)化都是為了降低VA+VB，同時盡量通過優(yōu)化管理避免極低放廢物被當(dāng)作低放廢物處理，也就是在VA+VB固定的時候盡量降低VA提高VB，以降低廢物整體處置成本。廢物處理優(yōu)化則是為了提高F。但是在實際工作中很多優(yōu)化措施在降低VA和提高F的同時也增加了CA，而且還引入了其它成本。CB主要涉及廠房管理及轉(zhuǎn)運、巡檢等人工成本，其受廢物產(chǎn)量影響很小，可以看做恒定值。CC、CD為處置成本，主要和市場價格相關(guān)，不受核電廠控制，其中CC參考國際上已運營廢物處置廠收費標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)指導(dǎo)價約為4萬元/m3[2]。

3.2 廢物最小化技術(shù)經(jīng)濟性分析

廢物最小化技術(shù)實施過程中每個優(yōu)化環(huán)節(jié)都有可能帶來減容量和成本變化。成本變化中主要包括耗材及備件成本、人工成本、設(shè)備成本三項成本要素，其中人工成本包括相關(guān)優(yōu)化工作帶來的材料管理成本、核電廠原有系統(tǒng)的運行和維修工作成本、新采購設(shè)備的運行和維修成本。

這里我們可以用綜合經(jīng)濟收益(D)來評價廢物最小化技術(shù)的經(jīng)濟性。如只涉及低放廢物優(yōu)化則：

D=(V1+V2+V3+V4)×CC-
(C1+C2+C3+C4)

(2)

式中，V1、V2、V3、V4分別表示四個優(yōu)化環(huán)節(jié)所帶來的廢物體積變化量(可為正值或負值)，m3；(V1+V2+V3+V4)即整個廢物最小化技術(shù)實施帶來的體積變化，也可用ΔV表示；C1、C2、C3、C4分別表示四個優(yōu)化環(huán)節(jié)所引入的成本變化量(可為正值或負值)，元；(C1+C2+C3+C4)即整個廢物最小化技術(shù)實施帶來的成本變化，也可用ΔC來表示，則式(2)可變化為：

D=ΔV×CC-ΔC

(3)

為了簡化公式，V1、V2、V3所帶來的廢物處理成本變化統(tǒng)一在ΔC中考慮。

如果優(yōu)化內(nèi)容為將廢物從低放廢物中識別為極低放(此過程特指通過管理或監(jiān)測手段提升極低放廢物的識別能力，不涉及廢物處理)則：

D=ΔV×CC-ΔV×CD-ΔC

(4)

如果優(yōu)化內(nèi)容為同時優(yōu)化了低放廢物和極低放廢物體積則：

D=ΔVA×CC+ΔVB×CD-ΔC

(5)

式5中ΔVB同時包括減少的極低放廢物體積，以及從低放廢物轉(zhuǎn)入極低放廢物所增加的體積。

如果A廢物最小化技術(shù)通過計算DA>0，則A廢物最小化技術(shù)具有經(jīng)濟可行性，如果同時還有B廢物最小化技術(shù)，DB>DA，則說明在經(jīng)濟性方面B技術(shù)優(yōu)于A技術(shù)。

以上經(jīng)濟性分析只考慮了ΔC為低值簡單物項采購及服務(wù)類采購成本的情況，如果某廢物最小化技術(shù)需采購固定資產(chǎn)類設(shè)備，且該設(shè)備需運行維修，則計算ΔC時需考慮設(shè)備采購(包括安裝調(diào)試)成本、設(shè)備運行維修成本以及投資回收期與設(shè)備壽命的關(guān)系。在這里我們可以用靜態(tài)投資回收期法進行分析[3]，靜態(tài)投資回收期不考慮資金的時間價值，投資回收期是以廢物最小化項目的全部凈收益抵償全部投資所需的時間T表示，即

(6)

式中，(Ci-C0)T為第T年現(xiàn)金流入量Ci與現(xiàn)金流出量C0之差。Ci包括設(shè)備對廢物減容帶來的收益，C0包括設(shè)備一次性采購成本、設(shè)備運行維修以及設(shè)備拆除和報廢成本(或折舊成本)。如果得出T<設(shè)備壽期則具有經(jīng)濟可行性。

3.3 經(jīng)濟性分析模型

放射性廢物最小化技術(shù)經(jīng)濟性分析模型可以分為四個步驟，可稱為四步法分析模型。四個步驟分別是拆解、識別、計算、對比。

某核電廠為了降低放射性表面污染場地所用塑料布產(chǎn)生的放射性廢物，他們一方面通過精細化管理采購不同厚度的塑料布用在有不同需求的工作中來降低廢物體積，另一方面通過將聚氯乙烯材質(zhì)的塑料布替換為聚乙烯材質(zhì)的塑料布以進行焚燒處置來降低最終廢物體積。按照圖3分析，我們可以得出如表1分析過程。

表1 塑料布放射性廢物優(yōu)化措施經(jīng)濟性分析

4 結(jié)論

四步法分析模型可較精確的完成放射性廢物最小化項目的經(jīng)濟性分析，可使用此分析模型編寫相關(guān)立項的經(jīng)濟性分析報告，以供財務(wù)部門在立項時進行經(jīng)濟性審查。使用此分析模型需充分考慮各個環(huán)節(jié)所帶來的ΔV和ΔC的變化，同時獲得所需各項數(shù)據(jù)的精確值。做好經(jīng)濟性分析需要重點關(guān)注兩個問題，一個是ΔV需考慮廢物最小化技術(shù)實施過程中帶來的二次廢物；另一個是在分析過程中獲得部分?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確值存在一定困難，特別是低放廢物處置成本以及極低放廢物處置成本，需要結(jié)合各核電廠所在省份實際情況進行估算。