壓水堆核能熱電水多聯產運行模式的經濟性分析

陳 聰，曾 暢，宋丹戎，羅 彥，盧 濤，王 月

(1.中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041；2.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；3.中國成達工程有限公司，四川 成都 610000)

0 概述

隨著核能技術的發展，核能作為清潔、穩定、高效的能源形式除了發電外，核能取代常規能源用于區域供熱、海水淡化、熱化學制氫等多種應用已經具有一定的可行性[1-2]，其經濟性已成為各國研究的焦點。作為模塊化設計的小堆也試圖與大堆形成互補的格局，其市場價值和戰略意義得到了較為廣泛的社會認同，具有較大的潛在市場前景[3]。

目前一些學者已針對核能熱電聯產和水電聯產系統的經濟性開展了分析[4-11]。Jaskólski等[4]針對AP1000反應堆熱電聯產經濟性進行計算，得到供熱成本為11.8 GJ。王永福和孫玉良[5]對比了高溫氣冷堆和燃氣機組熱電聯產經濟性，結果表明高溫氣冷堆熱電聯產上網電價低于燃氣熱電聯產上網電價，具備替代燃氣機組進行熱電聯產的潛力。辛國柏等[6]提出將小型堆熱電聯產應用到化工園區中，其經濟性相比燃氣熱電聯產有優勢。Ghazaie等[7]利用DEEP軟件對多種核能水電聯產系統經濟性展開討論，發現將氣冷堆和多效蒸餾技術進行聯合供水成本最低，為0.711 $/m3。Sadeghi等[8-9]則提出多種核電站與海水淡化廠耦合的方式，得出當采用核電站冷凝器排出的熱水作為海水淡化的給水時供水成本最低。Khan等[10]將SMART小型模塊化反應堆與反滲透法海水淡化裝置進行聯合，得到該熱電聯產系統供電成本和供水成本分別為0.067 4 $/kWh和0.81 $/m3。李錦等[11]利用夜間低谷時期富余核電進行反滲透法海水淡化，探究了不同運行方式對1 000 MWe壓水堆水電聯產經濟性和調峰能力的影響，得到“反滲透海水淡化廠白天半負荷運行、夜間滿負荷運行時”最佳運行方式下，水電聯產系統供水成本及調峰成本相對較低。通過以上文獻調研可知，目前較少學者對比分析同一反應堆熱電聯產和水電聯產的經濟性以及反應堆規模對核能多聯產系統經濟性的影響。

本文分別以ACP100和ACP1000反應堆作為研究對象，基于壓水堆核能多聯產熱經濟性模型，探討壓水堆核能熱電聯產和水電聯產兩種運行模型下的熱經濟性，為核能多聯產可行性分析提供參考。

1 核能多聯產熱經濟性模型

1.1 壓水堆相關參數

目前，核反應堆規模是總投資成本重要的影響因素，以小型堆ACP100和大型堆ACP1000作為對象，表1列出了兩種壓水堆型相關技術和財務參數。從表中可以看出，模塊化小型壓水堆ACP100建成單位投資較高，預計約為38 000元/kW，而大型壓水堆ACP1000建成單位投資預計約為16 000元/kW*。

表1 兩種堆型反應堆技術和財務參數

1.2 熱電/水電聯產熱經濟性模型

核能熱電聯產供熱單位成本和供電單位成本按照熱量法進行計算[12-13]，主要由分攤比來確定，表示為

(1)

αe=1-αh

(2)

式中αh和αe——供熱分攤比和供電分攤比;

Qtp和Qtp(h)——總燃料熱量和供熱所消耗的燃料熱量;

D0和Dh——總耗汽量和供熱抽汽量;

h0、hh、h′h和hfw——主蒸汽比焓、汽輪機抽汽比焓、回水比焓和給水比焓。

供熱單位成本Ch計算公式可表示為

(3)

式中Gt——核能熱電聯產系統年度總成本支出(包括投資成本、運維成本、燃料成本以及退役成本)[14];

Mt——年度運維成本;

Ft——年度燃料成本;

Ht——年度退役基金和核處理費成本;

Bt——年度供熱量。

供電單位成本Ce計算公式為

(4)

式中Et——年度發電量。

核能水電聯產的供熱單位成本和供電單位成本，其相關計算方法同核能熱電聯產一致。對于海水淡化廠供水成本，需考慮海水淡化工程建設成本、藥劑成本、工資福利、維修管理費用及耗電/熱成本等。表2給出黃島電廠3 000 m3/h低溫多效蒸餾海水淡化裝置相關技術和財務參數[15]。供水單位成本Cw計算公式為

表2 低溫多效蒸餾相關技術和財務參數

(5)

式中At——年度供水量;

Nt——海水淡化廠年度總成本(除耗電/熱成本);

B′t——海水淡化廠年度耗熱量;

E′t——海水淡化廠年度耗電量。

2 壓水堆核能熱電聯產經濟性

2.1 小型壓水堆核能熱電聯產經濟性分析

以小型壓水堆ACP100為例，對其熱電聯產經濟性進行分析。該反應堆熱功率為385 MWth，主蒸汽參數為P0=4.3 MPa，t0=292 ℃，h0=2 927 kJ/kg。考慮汽輪機抽汽用于供熱，抽汽參數為Ph=0.45 MPa，th=148 ℃，hh=2743 kJ/kg，回水比焓h′h=335 kJ/kg。實際排汽壓力Pc=0.004 MPa，排氣比焓hc=1 870 kJ/kg，凝結水比焓h′c=119 kJ/kg。

為研究熱電比(熱電機組實際對外供熱量與機組上網電量的比值)對核能熱電聯產經濟性的影響，針對熱電比分別為0、3、6、9、12等參數條件下進行計算分析，其結果如表3所示。由于采用熱電聯產，整個電廠的熱電聯供能量利用總效率(熱電總功率與反應堆熱功率的比值)大幅提高，當熱電比由0增加至12時，電廠熱電聯供能量利用總效率由32.5%提高到84.8%。供電單位成本從0.43元/kWh降低到0.18元/kWh，可見熱電聯產有利于降低核電站發電成本。對于供熱單位成本，其單位成本基本不變，為43元/GJ。

2.2 壓水堆規模對核能熱電聯產經濟性的影響分析

為研究反應堆規模對熱電聯產經濟性的影響，假定小型堆ACP100和大型堆ACP1000均用于熱電聯產，提供給熱用戶的供熱功率均為300 MWth，對其熱電聯產經濟性進行對比分析。ACP1000反應堆熱功率為3 050 MWth，主蒸汽參數為P0=6.5 MPa，t0=280.9 ℃，h0=2 776 kJ/kg。

表4給出了這兩種堆型反應堆熱電聯產計算結果。從表4中可以看出，當提供給熱用戶的供熱功率固定為300 MWth時，ACP100和ACP1000這兩種核反應堆的供熱單位成本分別為43元/GJ和23元/GJ，主要原因在于對于小型堆而言，其建成單位投資成本遠大于大堆。而對于供電單位成本，盡管建成單位投資成本遠大于大型堆，但由于小型堆的熱電比較大，導致熱電聯供能量利用總效率較高，從而使得小型堆的供電單位成本和大型堆差別不太大，分別為0.19元/kWh和0.2元/kWh。

2.3 壓水堆核能熱電聯產供熱成本和市場供熱價格對比

目前全國供熱蒸汽價格大體相同，以青島為例，居民供熱價格為42.29元/GJ，工業用蒸汽價格為69.72元/GJ。基于先前計算數據，得到當提供給熱用戶的供熱功率固定為300 MWth時，ACP100和ACP1000這兩種堆型的供熱單位成本(暫不考慮三回路)分別43元/GJ和23元/GJ，數量級相當。因此，針對工業用蒸汽，不論是大堆還是小堆，核能熱電聯產與市場供熱價格相比均具有一定的競爭力，而且核反應堆運行不依賴于化石燃料，沒有CO2、SO2等氣體排放問題，環境效應顯著。

3 壓水堆核能水電聯產經濟性

3.1 小型壓水堆核能水電聯產經濟性分析

基于低溫多效蒸餾海水淡化工藝，分析不同熱電比對小型堆ACP100水電聯產經濟性的影響，研究結果見表5。

表5 不同熱電比下的核能水電聯產經濟性計算結果

從表5中可以看到，隨著熱電比從0增加到12，核電站供熱量增加，因此核電站供電功率從125 MWe降低至24.4 MWe，供熱功率從0 MWth增加到292.8 MWth，相應的水電聯供能量利用總效率從32.5%增加到84.8%，最終得到海水淡化廠供水量從0增加至92 567 m3/d。隨著熱電比的增加，海水淡化廠供水耗電單位成本從0.68元/m3降低至0.34元/m3，供水耗熱單位成本基本保持在10元/m3左右。綜合海水淡化廠其他的供水單位成本，得到不同熱電比下的核能水電聯產供水總單位成本約為13元/m3左右。另外，從總供水單位成本占比來看，供水耗熱單位成本遠遠高于其他成本。

3.2 壓水堆規模對核能水電聯產經濟性的影響分析

為研究反應堆規模對水電聯產經濟性的影響，假定ACP100和ACP1000兩種核反應堆用于水電聯產，相應的海水淡化廠供水量均為90 000 m3/d，對其水電聯產經濟性進行對比分析。

表6給出了這兩種功率反應堆熱電聯產計算結果。研究結果表明，當海水淡化廠供水量固定為90 000 m3/d時，ACP100和ACP1000這兩種核反應堆水電聯產所得到的總供水單位成本分別為12.44元/m3和8.09元/m3，其主要原因為，對于小型堆而言，其建成單位投資成本高于大型堆。

表6 兩種堆型反應堆水電聯產經濟性計算結果

3.3 壓水堆核能水電聯產供水成本和自來水廠水價對比

受淡水資源稟賦特征的影響，我國國內各地居民自來水價偏差較大，南方雨水豐沛地區，水價偏低，在2～3元/m3之間，北方缺水地區，多為3～5元/m3，北京、天津等嚴重缺水地區，居民水價高達4元/m3。而對于工業水價，南方基本在2～3元/m3之間，北方大部分地區3～4元/m3，而北京天津工業水價可高達7～8元/m3[16]。綜合上述研究結果，可以知道若采用大型堆和低溫多效蒸餾工藝進行水電聯產，水價為8元/m3左右。隨著核能水電聯產技術進步和經營水平提升，水價仍有進一步下降的空間。因此針對北方缺水地區工業用水需求，核能水電聯產與自來水廠供水價格相比具有一定的競爭力。核能海水淡化以海水作為取水源，是對現有淡水資源的有益增補，不與民生和生態爭水，不僅具有潛在的經濟效益，而且具有良好的社會效益和生態效益。

4 結論

本文基于核能多聯產熱經濟性模型，針對同一壓水堆核能分別采用熱電聯產和水電聯產兩種方式時的經濟性進行對比分析，探討了壓水堆規模對核能多聯產運行模式的影響，主要結論如下：

(1)對于小型壓水堆ACP100，在核能熱電聯產和水電聯產兩種運行模式下，供熱和供水單位成本分別為43元/GJ和13元/m3左右，而供電單位成本受熱電比的影響，在0.17～0.43元/kWh范圍內波動。

(2)相對于小型反應堆，大型堆ACP1000建成單位投資相對降低，因此當固定供熱功率為300 MWth和供水量為90 000 m3/d時，供熱和供水單位成本降低，分別為23元/GJ和8.09元/m3。

(3)當考慮到工業用蒸汽價格，基于大型堆和小型堆的核能熱電聯產技術均具有一定的競爭力。針對北方缺水地區工業用水需求，基于大型堆的核能水電聯產與自來水廠供水價格相比存在潛在優勢。