核電機(jī)組廢熱回收用于供熱的發(fā)電功率分析

武心壯，黃曉杰，夏 栓

（1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233；2.國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司，山東 威海 264312）

0 引言

2012 年10 月，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議決定，穩(wěn)妥恢復(fù)核電正常建設(shè)，合理把握建設(shè)節(jié)奏，穩(wěn)步有序推進(jìn)；按照全球最高安全要求新建核電項(xiàng)目，新建核電機(jī)組必須符合三代安全標(biāo)準(zhǔn)［1］。《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017—2021 年）》明確提出，“加強(qiáng)清潔供暖科技創(chuàng)新，研究探索核能供熱，推動(dòng)現(xiàn)役核電機(jī)組向周邊供熱，安全發(fā)展低溫泳池堆供暖示范。”實(shí)際上，核能供暖作為一項(xiàng)低碳清潔、安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好的城市規(guī)模化供暖技術(shù)，可有效替代部分燃煤鍋爐，為地方提供穩(wěn)定、清潔熱源，保障民生工程。2019 年底，山東核電一期工程在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了核能供熱，對(duì)國(guó)內(nèi)商用核電站供熱地進(jìn)一步發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用，被國(guó)家能源局命名為“國(guó)家能源核能供熱商用示范工程”。

習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話，指出“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”李克強(qiáng)總理在十三屆人大四次會(huì)議上的《政府工作報(bào)告》中關(guān)于2021 年重點(diǎn)工作里提出“在確保安全的前提下積極有序發(fā)展核電。”核電被視作未來(lái)“碳中和”的有力資源之一。“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中，明確提到“開展山東海陽(yáng)等核能綜合利用示范”。核能供熱將成為國(guó)內(nèi)學(xué)者未來(lái)研究的重要課題。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)火電機(jī)組抽汽供熱技術(shù)進(jìn)行了大量的研究［2-3］，周正道等人對(duì)AP1000核電機(jī)組的高壓缸排汽抽汽和再熱熱段抽汽方案進(jìn)行了研究［4］。隨著對(duì)低品位熱源利用的關(guān)注，國(guó)內(nèi)學(xué)者們對(duì)采用熱泵回收余熱提升經(jīng)濟(jì)性開展了研究，利用熱泵技術(shù)提取發(fā)電廠凝汽器循環(huán)水余熱的節(jié)能方案，得到許多發(fā)電企業(yè)的重視，成為北方電廠一項(xiàng)重要節(jié)能措施，并且進(jìn)行了工程實(shí)踐［5-13］。核能供熱主要是從核電機(jī)組二回路抽取蒸汽作為熱源，隨著供熱需求的增大，抽汽對(duì)機(jī)組功率的影響也增大，利用廢熱供熱能成為提升經(jīng)濟(jì)性的重要手段。

針對(duì)AP1000 核電機(jī)組，提出采用吸收式熱泵提取核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)的廢熱，再通過(guò)熱網(wǎng)加熱器進(jìn)一步加熱后提供熱水，分析了不同抽汽方式回收廢熱供熱對(duì)于機(jī)組功率提升的影響，為核能供熱的優(yōu)化方案提供參考。

1 廢熱回收方案

山東海陽(yáng)核電一期工程AP1000 核電項(xiàng)目是引進(jìn)美國(guó)西屋公司的第三代先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)，兩臺(tái)機(jī)組分別在2018 年10 月和2019 年1 月商業(yè)運(yùn)行，該機(jī)組為純凝發(fā)電機(jī)組。第一階段的供熱改造考慮地方的清潔供熱需求和時(shí)間緊迫性，供熱抽汽取自主蒸汽管道的新蒸汽，抽汽供熱如圖1所示。海陽(yáng)核能供熱項(xiàng)目一期工程第一階段是通過(guò)廠內(nèi)換熱首站向地方熱力公司提供熱源，再由地方熱力換熱站、熱力管網(wǎng)系統(tǒng)向用戶供熱，提供70 萬(wàn)m2的供熱。2019年11月，國(guó)內(nèi)首個(gè)商用核電站供熱項(xiàng)目投運(yùn)，山東省能源局委托第三方評(píng)估首季運(yùn)行情況，結(jié)論是清潔、安全、穩(wěn)定、高效，在技術(shù)上取得了核能利用效率的提升，經(jīng)濟(jì)上具備了與燃煤供熱持平的競(jìng)爭(zhēng)力，具有大規(guī)模推廣應(yīng)用價(jià)值。由于供熱負(fù)荷不大，所以抽汽量很小，對(duì)機(jī)組的發(fā)電功率和核島一回路的影響也很小，這是一種可接受的抽汽供熱方式。

圖1 海陽(yáng)核電一期工程抽汽供熱系統(tǒng)

核能供熱不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)碳減排的作用也非常顯著，擴(kuò)大供熱規(guī)模是必然趨勢(shì)。隨著海陽(yáng)核電第二階段供熱面積和供熱負(fù)荷的增大，當(dāng)前所采用的從主蒸汽管道抽汽的供熱方式不符合能源梯級(jí)利用總原則，將顯著降低汽輪機(jī)的發(fā)電功率，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性受影響較大，須尋求更經(jīng)濟(jì)的抽汽供熱和能源利用方式，在滿足供熱溫度的前提下，采用低品質(zhì)的蒸汽用于抽汽供熱，同時(shí)盡量回收運(yùn)行中的廢熱，提高能源利用率。核電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備和熱交換器等產(chǎn)生大量的廢熱，需要冷卻水將熱量帶出，最終引入海水。這部分熱量以30～40 ℃的熱水存在，如果回收利用后用于供暖，滿足同等供熱負(fù)荷的條件下，將減少汽輪機(jī)的抽汽量，增加汽輪機(jī)發(fā)電功率，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生可觀的收益。本方案提出在熱網(wǎng)系統(tǒng)中增設(shè)熱泵提取設(shè)備冷卻水和閉式冷卻水的熱量，結(jié)合熱網(wǎng)加熱器進(jìn)一步提升熱網(wǎng)水溫度達(dá)到供熱要求。核能供熱通過(guò)廠內(nèi)換熱首站、市政換熱站，最后經(jīng)市政供熱管網(wǎng)將熱量傳遞至最終用戶。高壓缸排汽作為熱泵和熱網(wǎng)加熱器的驅(qū)動(dòng)汽源，熱泵的疏水和熱網(wǎng)加熱器的疏水合并后引入凝汽器，如圖2 所示。同時(shí)，對(duì)采用主蒸汽和高壓缸排汽作為抽汽汽源也進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖2 熱泵回收廢熱用于供熱系統(tǒng)

2 分析方法及結(jié)果

AP1000 核電機(jī)組汽輪機(jī)采用飽和蒸汽作為工質(zhì)，單機(jī)功率大，為單軸四缸六排汽凝汽式汽輪機(jī)，由1 個(gè)雙流道高壓缸、3 個(gè)雙流道雙排汽低壓缸組成，轉(zhuǎn)速為1 500 r∕min。核島總功率、汽輪機(jī)組主要參數(shù)及抽汽口參數(shù)如表1 所示［14-15］。采用蒸汽驅(qū)動(dòng)熱泵提取機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中核島設(shè)備冷卻水和常規(guī)島閉式冷卻水的熱量，作為熱網(wǎng)加熱器進(jìn)口水的加熱熱源，熱泵及熱網(wǎng)加熱器的進(jìn)出水溫度設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示。針對(duì)一定的熱泵和熱網(wǎng)加熱器的熱負(fù)荷分配比，計(jì)算供熱負(fù)荷，并開展不同供熱方式下的機(jī)組功率計(jì)算，得到經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

表1 AP1000核電機(jī)組主要參數(shù)

表2 抽汽供熱主要參數(shù)

抽汽負(fù)荷和供熱總負(fù)荷的計(jì)算如下：

式中：Q0為供熱總熱負(fù)荷，MW；Qd為抽汽負(fù)荷，MW；Qc為設(shè)備冷卻水熱負(fù)荷，MW；Qt為閉式冷卻水熱負(fù)荷，MW；COP為熱泵熱力系數(shù)；η為熱泵和熱網(wǎng)加熱器的熱負(fù)荷分配比；t1為熱泵進(jìn)水溫度，℃；t2為熱泵出水溫度，℃；t3為熱網(wǎng)加熱器出水溫度，℃。

基于熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，可進(jìn)行汽輪機(jī)組輸出功率的計(jì)算，計(jì)算主要步驟為：根據(jù)抽汽負(fù)荷假設(shè)主蒸汽流量，根據(jù)一回路特性曲線確定主蒸汽壓力，然后進(jìn)行二回路熱平衡計(jì)算和一回路熱功率計(jì)算，直至一回路熱功率達(dá)到限值，輸出汽輪機(jī)功率［16］。計(jì)算中假設(shè)再熱壓力和溫度與純凝工況一致，汽輪機(jī)效率和低壓抽汽的干度與純凝工況一致。

在發(fā)電廠中應(yīng)用的熱泵技術(shù)主要是溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵。溴化鋰吸收式Ⅰ類熱泵的性能系數(shù)（Coefficient of Performance COP）大約在1.5～1.7 之間［13］。核電廠中有大量的蒸汽可作為驅(qū)動(dòng)源，本文以溴化鋰吸收式Ⅰ類熱泵為分析對(duì)象，取熱泵的COP 為1.7、η為0.5 的參數(shù)進(jìn)行供熱負(fù)荷和機(jī)組功率的計(jì)算，在熱泵完全回收核島設(shè)備冷卻水和常規(guī)島閉式冷卻水總熱量70 MW 時(shí)，需要驅(qū)動(dòng)蒸汽負(fù)荷100 MW，根據(jù)熱負(fù)荷分配比，熱網(wǎng)加熱器的抽汽負(fù)荷為340 MW，總的抽汽負(fù)荷為440 MW，可實(shí)現(xiàn)向熱網(wǎng)提供共510 MW 的供熱負(fù)荷。按照采暖指標(biāo)平均采暖熱指45 W∕m2計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)1 130 萬(wàn)m2的供熱面積。

當(dāng)供熱負(fù)荷一定時(shí)，針對(duì)不同抽汽方式及配合廢熱回收的發(fā)電功率進(jìn)行分析，圖3為當(dāng)總的供熱負(fù)荷為510 MW 時(shí)，采用不同的抽汽供熱方式對(duì)機(jī)組功率的影響。供熱負(fù)荷比較大時(shí)，采用主蒸汽抽汽供熱最不經(jīng)濟(jì)，功率損失184 MW，不符合能源梯級(jí)利用原則。采用主蒸汽抽汽利用廢熱供熱可減少機(jī)組功率損失。采用高壓缸排汽供熱是比較經(jīng)濟(jì)的供熱方式，如果采用熱泵回收70 MW 廢熱將進(jìn)一步減少機(jī)組功率損失，是最經(jīng)濟(jì)的組合供熱方式。

圖3 不同抽汽供熱方式對(duì)機(jī)組功率的影響

海陽(yáng)一期工程第一階段的供熱通過(guò)主蒸汽供熱，從能源梯級(jí)利用角度，不是最優(yōu)的供熱方式，以此為對(duì)比基準(zhǔn)計(jì)算從高壓缸抽汽供熱以及利用熱泵回收廢熱后的機(jī)組提升功率，如圖4所示。如果采用火電常用的抽汽供熱方式，從高壓缸排汽抽汽供熱510 MW，相比從主蒸汽抽汽供熱，可以提升機(jī)組功率73 MW，如果利用熱泵回收設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和閉式冷卻水系統(tǒng)的熱量，可繼續(xù)提升機(jī)組功率15.8 MW。

圖4 不同抽汽供熱方式提升功率對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

核電機(jī)組供熱將是解決北方清潔供暖問(wèn)題的重要途徑，也將在碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，合理利用廢熱供熱將進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)性。以海陽(yáng)核電一期工程AP1000 核電機(jī)組為例，介紹了主蒸汽抽汽供熱的方案，提出采用吸收式熱泵提取核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)的熱量作為熱網(wǎng)的第一級(jí)加熱的方案，用于回收設(shè)備運(yùn)行的廢熱，提升經(jīng)濟(jì)性，再通過(guò)熱網(wǎng)加熱器進(jìn)一步加熱后提供熱水。計(jì)算分析了不同抽汽方式回收廢熱供熱對(duì)于機(jī)組功率提升的影響，結(jié)果表明采用COP 為1.7 的熱泵回收70 MW 熱量后，可提供510 MW 的總供熱負(fù)荷，相比高壓缸排汽抽汽直接供熱可提升機(jī)組功率15.8 MW，相比從主蒸汽抽汽供熱可提升的機(jī)組功率可達(dá)到約89 MW，因此從高排抽汽回收廢熱用于供熱對(duì)機(jī)組功率具有顯著的提升。