小型堆-生物質綜合能源系統運行模式研究

黃 冰，劉鑫屏，鄧拓宇

（華北電力大學控制與計算機工程學院，河北 保定 071003）

目前，核能憑借低碳、清潔、規模化的優勢成為重要的供熱資源，其前景越來越廣闊[1]。然而單一的核供熱堆其生產的熱能只能用來供熱，與傳統燃煤供熱機組相比，經濟性較低且負荷調節不靈活。為此越來越多的供熱堆，特別是小型模塊化核反應堆（small modular reactor，SMR）采用與其他熱源[2]進行耦合的方式來提高堆的靈活性、經濟性，從而使核能供熱與傳統燃煤供熱相比更具優勢。但隨之而來的問題是，多能耦合使得整個系統的運行模式復雜、繁多。因此，為綜合能源系統在不同供暖階段找到最佳的運行模式變得尤為重要。

與傳統的核供熱堆相比，前期投資較小、建造周期短、場地靈活性高且能近距離建設在工廠附近的小型堆[3]更容易與其他熱源耦合。近些年來，國內外也不斷涌現出對小型堆的研究。美國在20世紀50年代已經開始了SMR的建造，而且越來越多的電力公司開始了對小型堆的設計開發[4]。Norouzy等人[5]針對SMR提出并分析了一種新的四聯產設備，能實現在1個由儲能設備支持的單一設備中生產水、電、熱和化學品；Odmaa等人[6]基于高溫氣冷堆技術設計了一個小型且具有非能動安全特性的集中供暖反應堆；Bikash等人[7]提出了一個基于SMR的電力和集中供熱混合能源（district heating，DH）系統的仿真模型，對比發現DH系統、熱能存儲和電能存儲對SMR靈活運行有潛在好處；緊接著，Bikash等人[8]又開發了小型堆-可再生能源（small modular reactor-renewable energy source，SMR-RES）和DH混合能源系統的最佳運行框架，最優可容納高達50%的可再生能源。

清華大學核能與新能源技術研究院有不少關于小型堆的研究：謝菲等[9]建立了一個小型堆的分析模型并進行了負荷跟蹤以及穩定性的研究；解衡等[10]提出一種新的堆型NHR-200II，該堆安全性、經濟性較好，可用于海水淡化、發電、供氣以及供暖；郝文濤等[11]研發了小型壓水堆NHR-200II，該小型壓水堆的安全性、經濟性均較高，還能有效應對環境污染和氣候變化，其運行可利用率在國際領先，而且該堆可靠近用戶建設。

Ioulia等人[12]分析了在風電場大規模部署的情況下，中小型堆和生物質廠耦合的綜合能源系統的潛在貢獻。其中SMR可以在汽輪機和生物質廠之間切換其熱能供應。該系統潛在優勢在于：可以實現風電場的負荷平衡，減少發電偏離電力需求；減少化石燃料的燃燒；減少二氧化碳的排放；具有很高的調度能力和靈活性等。針對核能項目經濟性不高，非供暖季無法運行的問題，李相通等[13]提出在核供熱堆附近建設生物質發電廠。在這個基礎之上，核堆產生的蒸汽不僅可以用來供暖還能用來發電，而且在非供暖季也能持續運行。這既解決了經濟性問題，還解決了非供暖季停運問題。

本文在小型堆與生物質機組耦合的情況下，經過研究總結得到了該綜合能源系統的6種典型運行模式，對這6種運行模式經過初步篩選，為每個供暖階段選擇2種運行模式；根據所得到的每種模式的電負荷范圍計算出對應的調峰容量比，根據調峰容量比再進行篩選最終得到每個供暖階段的最佳運行模式。

1 綜合能源系統運行模式

該綜合能源系統是小型堆和生物質機組耦合進行供熱、供電的熱電聯產系統。小型堆供熱系統擁有2個小型供熱堆，根據熱負荷需求來選擇堆的運行個數；生物質機組有抽凝、背壓2種聯產模式，低壓缸的運行個數可以選擇。因此，二者耦合的綜合能源系統的運行模式多種多樣。

1.1 小型堆供熱系統

核能供熱一般從二回路抽取蒸汽作為熱源來加熱熱網水，熱網水將熱量傳遞給最終用戶，其供熱系統如圖1所示。

由圖1可見：在一回路中的工質吸收核反應產生的熱量，通過換熱器將熱量傳遞給二回路；二回路的水吸收熱量后生成高溫高壓的蒸汽；這些蒸汽同樣通過換熱器將熱量傳遞到三回路；三回路的水生成過熱蒸汽，過熱蒸汽中一部分直接送入熱網經過多級換熱最終到達用戶側；剩余的過熱蒸汽可以用于工業供熱或者生物質電廠發電。

在此過程中，只有熱的交換，不存在液體的直接接觸；而且反應堆深埋地下，并配置鋼制安全殼來有效屏蔽放射性[14]；二回路作為中間回路形成實體隔離，消除了放射性從一回路泄露的可能。

1.2 生物質熱電聯產機組運行模式

生物質機組有純凝、抽凝、背壓3種運行模式[15]。純凝模式只在非供暖季運行，蒸汽只用來發電；在供暖季，可以依靠同步自動換擋離合器（synchroself-shifting，SSS）在抽凝、背壓2種模式間進行不停機切換來供熱、供電。此外在抽凝模式下，根據熱、電負荷需求選擇低壓缸的運行個數。機組抽凝模式和背壓模式的熱力系統如圖2所示。

1）抽凝模式 從高壓缸（HP）抽出一定的蒸汽進入熱網來加熱熱網水。低壓缸（LP）排汽通過凝汽器冷凝、凝結水泵升壓后，與經過處理的疏水一起送入低壓加熱器（低加）、除氧器、高壓加熱器（高加），最后送入鍋爐。在此模式下，低壓缸流量受到最小冷卻流量的限制。

2）背壓模式 通過SSS離合器將低壓缸解列，高壓缸排汽全部進入熱網來加熱熱網水，凝結后的疏水經處理進入低加、除氧器、高加，最后送入鍋爐。在此模式下，低壓缸解列，機組發電能力降低，但由于送入熱網的蒸汽變多從而提升了供熱能力。

1.3 綜合能源系統運行模式

該綜合能源系統由2個小型供熱堆和生物質機組構成，即建設小型堆的同時在其周邊建立生物質發電廠[16]。該綜合能源系統如圖3所示。

在供熱期，生物質機組可以選擇以抽凝模式運行或背壓模式運行。在抽凝模式下，低壓缸的啟停個數能夠選擇，生物質鍋爐運行負荷率在50%~ 100%調整，小型堆的運行個數根據負荷需求選擇；在背壓模式下，解列低壓缸，其他情況與抽凝模式相同。

據圖3可知：生物質機組采用抽凝模式時高壓缸排汽一部分送入低壓缸繼續做功，另一部分經換熱為熱網供暖；小型堆三回路的蒸汽一部分送入低壓缸做功，另一部分通過換熱為熱網供暖。根據熱負荷需求，選擇不同的模式來調整生物質機組、小型堆的供暖蒸汽流量。

2 熱、電負荷計算

2.1 系統設計參數

該綜合能源系統有2個額定負荷為200 MW的典型一體化小型供熱堆；生物質機組配備2臺額定蒸發量為130 t/h的生物質鍋爐[17-19]和1臺CB125-9.81/0.9/0.118型汽輪機。鍋爐、汽輪機、小型堆等主要設備的設計參數見表1、表2。

表1 小型堆主要參數 Tab.1 Main parameters of the small reactor

表2 生物質機組主要參數 Tab.2 Main parameters of the biomass unit

2.2 計算公式

生物質機組總熱耗量Qtp計算公式為：

式中：Btp為生物質機組總燃料消耗量，kg/s；Qnet為燃料低位發熱量，kJ/kg。

汽輪機高壓缸功率Ph計算式為：

式中：Gh為蒸汽流量，kg/s；h1為高壓缸進口蒸汽比焓，kJ/kg；h2為高壓缸出口蒸汽比焓，kJ/kg；ηe為汽輪機效率，無量綱。

汽輪機低壓缸功率P1計算式為：

式中：G1為生物質機組蒸汽流量，kg/s；Ge為核島發電蒸汽流量，kg/s；hd為低壓缸進口處核島蒸汽比焓，kJ/kg；h3為低壓缸出口蒸汽比焓，kJ/kg。

系統供熱量Qh計算式為：

式中：Gw為熱循環水流量，kg/s；hi為進水比焓，kJ/kg；ho為回水比焓，kJ/kg。

2.3 供熱時段熱負荷分布

該綜合能源系統供熱面積約為700萬m2，設計供熱負荷1 944 GJ/h（540 MW）。相對熱負荷Qxd為實際熱負荷與設計熱負荷之比，其與環境溫度[20]的關系表示為：

式中：tn為采暖室內溫度，℃；tw為采暖計算溫度，℃；t′w為實際環境溫度，℃。根據當地情況，tn取18 ℃，tw取?26 ℃。

采集當地供暖季的環境溫度，經過分析劃分得到13個時段。對環境溫度取平均值作為采暖溫度，從而得到采暖供熱負荷。根據公式(5)計算得到各個時段的熱負荷需求見表3。

表3 供暖季不同時間段供熱負荷 Tab.3 Heating load in different periods of heating season

3 綜合能源系統負荷特性

3.1 系統在不同模式下的負荷特性

對于生物質機組，將2臺鍋爐看作整體，2臺鍋爐滿負荷運行看作負荷率為100%，1臺滿負荷運行則看作50%。此外，2臺鍋爐運行的負荷率要大于1臺滿負荷運行的負荷率；生物質機組在抽凝模式下低壓缸最小冷卻流量[21]取110 t/h，當來自核島的蒸汽大于150 t/h時，需啟動2個低壓缸。對于小型堆，始終保持滿負荷運行。核島蒸汽在供暖季有2種去處：1）直接為熱網供熱；2）送入生物質機組的低壓缸做功來提供電能。小型堆的運行個數根據負荷需求來確定。

通過以上分析，基于該綜合能源系統較為繁多且復雜的運行模式，本文挑選出“雙堆+HP”“單堆+HP”“雙堆+HP+LP”“單堆+HP+LP”“雙堆+HP+LP×2”“單堆+HP+LP×2”6種典型運行模式，針對這6種模式來進行研究對比。

根據本文所羅列的負荷計算公式以及各表格中的參數標準，分析計算該綜合能源系統6種運行模式下的熱電負荷特性及范圍，如圖4、表4所示。

由圖4可見：

1）對于背壓模式，即“雙堆+HP”和“單堆+HP”模式，供熱負荷與發電負荷呈線性關系，熱、電負荷由低到高對應著鍋爐負荷率50%~100%的狀態；每種狀態下熱、電負荷已確定，系統無法調節。

2）對于抽凝模式，例如在“雙堆+HP+LP”模式下，小型堆滿負荷運行，生物質機組采用1個高壓缸、1個低壓缸，生物質鍋爐負荷率在50%~100%變化；AD段對應100%負荷率；BC段對應50%負荷率；AB段，機組蒸汽全部送入低壓缸做功，核島蒸汽有150 t/h送入低壓缸，其余用于供熱；CD段，核島蒸汽全部用于供熱，機組有110 t/h的蒸汽送入低壓缸。“單堆+HP+LP”模式同理。在“雙堆+HP+LP×2”模式下，小型堆滿負荷運行，生物質機組采用1個高壓缸、2個低壓缸，生物質鍋爐負荷率在50%~100%變化；EH段對應100%負荷率；FG段對應50%負荷率；EF段，機組蒸汽、核島蒸汽全部送入低壓缸做功；GH段，核島蒸汽全部用于供熱，機組有220 t/h的蒸汽送入低壓缸做功。“單堆+HP+LP×2”模式同理。

此外，在生物質鍋爐負荷一定的條件下，抽凝模式發電負荷隨著供熱負荷增加而逐漸降低，同時熱、電負荷在一定范圍內均可靈活調整。

表4 6種模式的熱、電負荷范圍 單位：MW Tab.4 Thermal and electrical load range of six modes

3.2 綜合能源系統機組運行模式選擇

結合表4和圖4可知，2個小型堆加1個高壓缸、2個低壓缸運行，供熱能力和電負荷調整范圍均較大；當只有1個低壓缸運行時，無法達到零供熱負荷。結合供熱期的熱負荷需求情況，對系統運行模式首次篩選，情況如下。

1）供暖初末期及系統承擔熱負荷較低時（0 MW

2）供暖寒冷期，系統承擔較高熱負荷時（219.70 MW

3）供暖嚴寒期，系統承擔熱負荷接近設計值時（361.40 MW

3.3 供暖季綜合能源系統調峰能力分析

在供暖季，該綜合能源系統雖然主要用途是為熱網提供熱源，但是該系統能夠參與調峰從而可以適當緩解電網調度壓力，具有一定的經濟性。針對不同時期的供熱負荷，通過研究對比來得到每一時期與之相對應的具有最大調峰能力的運行模式，從而再次篩選得到系統的最佳運行模式。

綜合“單堆+HP+LP×2”“單堆+HP+LP”“雙堆+HP+LP×2”“雙堆+HP+LP”“雙堆+HP”5種運行模式的熱負荷調整范圍，其對應的調峰容量見表5。

表5 各供熱負荷范圍下的調峰容量范圍 單位：MW Tab.5 The peak regulation capacity range at different heating loads

根據表5得到的每種運行模式下的熱負荷范圍以及調峰容量范圍，采用調峰容量比Rg來作為評價該系統調峰能力的指標。Rg定義[22]為機組調峰負荷與額定負荷之比：

式中：Pe,max為某供熱負荷下該系統最高發電功率，MW；Pe,min為某供熱負荷下該系統最低發電功率，MW；Pe,N為系統額定發電功率，取172 MW。

根據表3中每個供暖時間段所需要的供熱負荷，經過歸類劃分以及調峰容量比的計算，為每個階段安排了最適合的運行模式，結果見表6。由表6可得到供暖季各個時間段下的發電功率范圍以及調峰容量比。由表6可知：供暖初末期（10月下、3月下、4月下）熱負荷較低，該綜合能源系統宜采用1個小型堆滿負荷運行和生物質機組汽輪機啟用高壓缸和1個低壓缸的運行模式，該模式下，調峰容量比為23.0%；在次寒期，宜采用2個小型堆滿負荷運行和生物質機組汽輪機啟用高壓缸和2個低壓缸的運行模式，調峰容量比分別為25.0%；在嚴寒期，第1階段（11月下、12月上）和第3階段（1月、2月）宜采用2個小型堆滿負荷運行和生物質機組汽輪機啟用高壓缸和1個低壓缸的運行模式，調峰容量比均為23.5%，第2階段（12月中、12月下）宜采用背壓模式即2個小型堆滿負荷運行和生物質機組汽輪機只開啟高壓缸，該模式下系統無法調峰。

表6 各階段最佳運行模式以及調峰容量比 Tab.6 The optimal operation mode and peak capacity ratio at each stage

3.4 綜合能源系統經濟性分析

小型堆-生物質綜合能源系統不僅可以緩解化石能源的消耗[23-24]、減少對環境的污染[25-26]而且具有一定的經濟性[27]。

對于2×200 MW供熱堆，供熱成本約43~86元/GJ。當前市場供暖熱價約為35元/GJ，供暖期約為6個月；市場汽價約180元/t，折合熱價約80元/GJ，而且供汽可全年運行。可見，僅靠供暖，供熱堆根本無法盈利，但是通過與生物質機組耦合進行電、汽、暖聯供后，經過整年運行能夠盈利。

此外，由圖4、表4可得，該綜合能源系統在“雙堆+HP”模式下運行時具有最大供熱工況，最大供熱負荷可達540 MW，折算為1 944 GJ/h。市場熱價取35元/GJ，將綜合能源系統與低壓缸零出力改造前的2×350 MW供熱機組和低壓缸零出力改造后的2×350 MW供熱機組進行比較[28]，綜合能源系統與經過低壓缸零出力改造之后的供熱機組有著相近的最大供熱蒸汽流量。在各自的最大供熱工況下運行時，三者的性能對比見表7。由表7可知：在最大供熱工況下該綜合能源系統的供熱收益比在2×350 MW供熱機組的收益更高：比低壓 缸零出力改造前的供熱機組每天供熱收益可增 加39.2萬元；比低壓缸零出力改造后的供熱機組每天供熱收益可增加4.9萬元。而且該系統在最大供 熱工況下，發電可降低至額定負荷的21.7%，比2×350 MW供熱機組低壓缸零出力改造前、后都要低，發電更加靈活。

表7 最大供熱工況條件下性能對比 Tab.7 Performance comparison under the maximum heating condition

由此可見，小型堆-生物質綜合能源系統不僅比單一核供熱堆更具經濟性、靈活性，而且與傳統燃煤供熱機組相比，在供熱收益、調峰靈活性方面也具有一定優勢。

4 結 論

1）小型供熱堆與生物質機組耦合，因為組合方式的復雜、設備的狀態多變，本文針對系統的主要設備進行分析，總結得到6種典型的運行模式進行分析比較。

2）根據每種模式下的熱電負荷特性以及計算得到的調峰容量比，為系統篩選出了在3個不同供暖階段下的最佳運行模式。綜合能源系統在最佳模式下運行，能夠完全滿足熱負荷需求而且還能為電網靈活發電。

3）結果表明，與2×350 MW的供熱機組相比，小型堆-生物質綜合能源系統在最大供熱工況下有著較高的最大供熱負荷、供熱收益以及較高的調峰靈活性。