核能海水淡化與供熱技術
[摘要] 由清華大學自主研發、中核能源科技有限公司負責產業化推廣的一體化全功率自然循環殼式核供熱堆技術,可以用于區域供熱和制冷、海水(苦咸水)淡化及水、熱、冷、電聯供等。具有安全可靠、綜合利用程度高、經濟競爭力強等特點。本文介紹了海水淡化與集中供熱技術的發展趨勢,以及一體化殼式核供熱堆技術的商業目標和新進展。
1 核能的非發電應用
核能的和平利用,除了發電領域以外,在非發電領域也有著廣泛的應用。
由清華大學自主研發,中核能源科技有限公司(以下簡稱”中核能源”)負責產業化推廣的一體化全功率自然循環殼式核供熱堆(以下簡稱”一體化殼式供熱堆”)技術,可以用于區域供熱和制冷、海水(苦咸水)淡化、以及水、熱、冷、電聯供等。
中核能源在中國核工業建設集團和清華大學的大力支持下,經過三年多的充分準備,已經開始在核電和非發電領域,全面推動模塊式高溫氣冷堆技術和一體化殼式供熱堆技術的產業化工作。本文主要介紹采用一體化殼式供熱堆作為熱源,進行海水淡化與供熱的技術。
2 城市供熱與海水淡化技術的發展趨勢
由于節能降耗、減排環保和提高經濟性的綜合要求,采用常規能源的城市集中供熱和海水淡化技術具有以下發展的趨勢:
2.1 大規模供熱或海水淡化
城市集中供熱朝著單臺大容量、高參數鍋爐、大規模區域供熱發展,200MW以上的熱電聯供機組和40t/h以上的區域供熱鍋爐已在北方大城市投入運行,大型供熱機組比重將日益增加。熱水管網設計最高溫度已達150℃,最大供熱半徑20km,最大管徑1400mm;蒸汽管網最高溫度已達300℃,壓力一般低于1.0MPa,最大供熱半徑10km,最大管徑1000mm。熱源為熱電廠的熱力管網系統,最大供熱面積達到1200萬平方米;熱源為區域鍋爐房的熱力管網系統,最大供熱面積達到500萬平方米;熱源為熱電廠和調峰鍋爐房聯合供熱的熱力管網系統,最大供熱面積達到4000萬平方米。
海水淡化也是朝著擴大單臺裝置產能和擴大淡化廠建設規模的方向發展,多級閃蒸單臺裝置產能已經達到7.6萬m3/d,低溫多效單臺裝置產水能力將達到6.8萬m3/d,單套反滲透淡化裝置產水能力也已達到1.12萬m3/左右。國際上多級閃蒸、低溫多效、反滲透海水淡化廠的生產規模分別達到日產45萬m3、24萬m3和33萬m3。
2.2 熱電冷聯產和熱電水聯產
城市集中供熱通過熱、電聯產和熱、電、冷聯產,獲得明顯的節能降耗、減排環保、提高熱效率和供熱質量、增加電力生產供應等綜合效益。循環流化床鍋爐的熱效率大于85%,分別高于大型區域鍋爐房和分散小鍋爐房70%左右和55%左右的熱效率。
海水淡化通過熱、電、水聯產也取得良好的綜合效益。電水聯產的海水淡化廠制水成本在4.3~5元/m3之間,經濟效益明顯好于獨立海水淡化廠的6~6.7元/m3。
2.3 供熱能源結構多元化,開始采用潔凈燃料
中國目前的供熱能源結構趨于多元化,煤炭、燃油、天然氣、電能、太陽能、地熱等都已經用于供熱,但是仍以煤炭為主。供熱形式有熱電廠、區域鍋爐房、分散鍋爐房、家庭用小燃煤爐等。部分城市開始發展燃氣-蒸汽聯合循環發電熱電廠,已達到高效、節能、減少污染、提高電網調峰能力的目的。與燃煤火力發電廠相比,燃氣-蒸汽聯合循環過程用水減少50%,排放二氧化碳減少58%,氮氧化物減少81%,灰塵減少95%,二氧化硫和爐渣排放減少100%。
3 核能是大規模供熱與海水淡化的理想熱源
核供熱堆,可以用于城市區域供熱和制冷、海水(苦咸水)淡化、中低溫工藝熱、水、熱、電、冷聯供等。
核供熱堆作為城市供熱和海水淡化的熱源,符合城市供熱和海水淡化的技術發展趨勢和需求,具有以下特點:
3.1 可以大規模供熱和產水
一座熱功率為200MW的一體化殼式核供熱堆,每天可以向400萬m2建筑物供暖,生產約5400t的工業蒸汽,在南方地區約可生產45萬m3淡化水。可以作為大規模供熱、供汽和海水淡化生產的首選。
3.2 可以實現水、熱、冷、電聯供
目前一體化殼式核供熱堆已經可以做到城市供熱和海水淡化聯供,在5MW核供熱堆上完成了10萬m2的冬季供熱、夏季制冷運行,并完成熱電聯供試驗。
3.3 具有良好的環境效益
用核能作為城市集中供熱和海水淡化的熱源,可以實現化石燃料排放物和二氧化碳的零排放,減少放射性物質、燃料運輸量、燃料貯存場地和揚塵,具有良好的環境效益。
表1:200MW供熱站與化石燃料鍋爐房對環境影響的比較
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4 一體化殼式供熱堆技術的商業目標和新進展
與核電的遠距離輸送不同,核能海水淡化廠與核供熱站需要盡量靠近負荷中心和用戶。因此,用于海水淡化和供熱的核反應堆應當具有比核電站更高的安全可靠性。同時還要具有良好的經濟性。為此,用于非電力領域的核反應堆必須實現以下商業目標才能夠進入市場,進入市場后才能夠持續發展。
4.1 一體化殼式供熱堆技術的商業目標
市場對核能海水淡化與供熱的總體要求是:技術成熟、先進;安全可靠;經過驗證;商業可行。一體化殼式供熱堆技術已經滿足這些要求。
4.1.1 技術成熟、先進
由于核能海水淡化與供熱的反應堆技術更接近負荷中心和用戶,因此要求其應當是基于成熟技術發展起來的先進反應堆技術。全世界現有443座核電機組在運行,總功率為三億六千九百萬千瓦。還有26座在建。已經積累了一萬堆年以上的運行經驗,安全記錄是良好的。一體化殼式供熱堆屬于輕水堆,世界上輕水堆核電站占核電站總數的82%,到2006年上半年,輕水堆已經積累了8983堆年的運行經驗,技術是完全成熟的。一體化殼式供熱堆運行參數遠遠低于核電站,同時由于采用了一體化、自穩壓、全功率自然循環、新型的控制棒水力傳動裝置、非能動的余熱排出系統、雙重承壓殼等先進技術,保證了核供熱堆的安全可靠性。
4.1.2 安全可靠
對于先進反應堆技術的安全可靠性,包含著對反應堆系統的固有安全性、設備和系統長期運行的安全可靠性兩個方面的要求。一體化殼式供熱堆的固有安全性體現在以下幾個方面:
1) 一體化、自穩壓和全功率自然循環設計
反應堆主回路系統采用一體化、自穩壓和自然循環設計,取消了主泵和主回路管道,大大降低冷卻劑壓力邊界的泄漏幾率,可以極大緩解泄漏事故的后果。同時,在結構設計上采取穿管限流措施并對穿管位置合理布置,能在事故工況下保證冷卻劑淹沒堆芯。這些設計特性可以保證200MW核反應堆在任何設計基準事故工況下,堆芯不會裸露,因此,該堆不必設置應急堆芯冷卻系統。
2) 非能動安全系統
除了主回路系統實現了全功率的自然循環冷卻以外,反應堆最重要的安全系統--余熱排出系統也采用了自然循環方式,因此,即使喪失外電源,也可以長期維持反應堆堆芯的可靠冷卻。從技術角度看,在示范項目建成運行以后,完全可以取消應急柴油機系統。
一體化殼式供熱堆除了上述的固有安全性以外,還采取了以下的多重保護措施:
1) 雙重停堆保護系統
一體化殼式反應堆控制棒采用水力驅動系統,整個控制棒驅動機構設置在壓力殼內,工作介質為反應堆冷卻水,在失電和失水的條件下,控制棒將自動落下終止核鏈式反應,關閉反應堆。同時,該堆還設置了注硼系統,進一步提高了安全停堆的可靠度。
2) 中間隔離回路
在反應堆主回路與海水淡化裝置(集中供熱回路)之間設置中間隔離回路。由于中間隔離回路的壓力高于主回路的壓力,在主換熱器管道破損時,可以防止主回路帶放射性的水進入中間隔離回路,從而保障海水淡化裝置(集中供熱回路)不受污染。
3) 系統簡單,設備簡化、操作方便
由于一體化殼式供熱堆系統簡單、設備簡化,對于任何設計基準事故,保護邏輯系統一般只自動觸發兩種動作,即停堆和打開余熱排出系統的閥門,不需要操縱員干預,從而大大降低誤操作的可能性。
4.1.3 經過驗證
一項新技術要融入市場必須保證其是安全可靠的,為了滿足這個要求,核供熱堆應盡量采用已經取得良好業績的成熟技術,需要采用的新技術必須經過必要的試驗驗證。
從20世紀80年代開始,在輕水堆成熟技術的基礎上,一體化殼式供熱堆通過“六五”階段的準備,“七五”、“八五”和“九五”階段的技術攻關,建成了世界上第一座5MW低溫核供熱實驗堆,并開展了熱電聯供、制冷空調、海水淡化等綜合利用技術的研究開發和試驗。在5MW供熱堆的設計研究過程中,共取得52項科研成果,攻克13項重大關鍵技術,獲得5項國家專利,有7項技術成果達到國際先進水平,并獲得13項部委獎和2項國家級獎。5MW供熱堆獲得1992年國家科技進步一等獎,反應堆控制棒步進式水力驅動系統獲得1990年國家發明二等獎和1991年中國專利金獎。是國家確定的重大科技成果產業化項目。
4.1.4 商業可行
核能的非電力應用,在市場上應能根據需求提供不同的建設規模和產品組合方案;在經濟上示范項目能夠保本微利,商業項目優于采用化石燃料的同類項目;在環境效益上屬于環境友好型。
一體化殼式供熱堆技術將形成系列產品,系列1可以實現單純城市供熱、單純低溫多效蒸餾海水淡化、淡化水、城市集中采暖和制冷聯供。
系列1已經完成工程初步設計,依據該方案編寫的“大慶油田200MW核供熱站初步安全分析報告”已通過國家核安全局審查,頒發了建造許可證。在目前化石燃料價格不斷升高的條件下,城市集中供熱方面經濟性已經與區域供熱的燃煤供熱站相當,好于燃氣供熱站。海水淡化方面,生產的高純水成本已經與用自來水生產的高純水成本相當。
在5MW供熱堆連續3個冬季的供暖運行中,堆的總體性能達到國際先進水平,其供熱可運行率高達99%。
4.2 一體化殼式供熱堆技術的新進展
繼系列1之后,目前已經完成系列2 的優化設計,即將向國家核安全審管當局報審。
系列2可以與單純膜法海水淡化工藝、膜法/熱法結合的海水淡化工藝耦合,可以根據市場需求進行淡化水、工業蒸汽、城市供熱和制冷聯供。由于殼式一體化核供熱堆的參數低,發電與核電站相比并不經濟,但是在商業電價較高的條件下,生產的廠用電成本低于商業電價,對于降低海水淡化總成本仍然具有經濟意義。其生產淡化水和工業蒸汽的成本,已經與采用化石燃料和熱電聯產方式生產的淡化水和工業蒸汽成本相當。
4.3 核能海水淡化高技術示范工程
1998年10月,以中國一體化殼式供熱堆為熱源的摩洛哥10兆瓦核能海水淡化工程預可行性研究,通過了國際原子能機構(IAEA)的審評。
2001年,國家計委將山東核能海水淡化項目列為”高技術產業化示范工程”。2005年,國家發改委、國家海洋局和國家財政部發布的“海水利用專項規劃”中,又將”山東煙臺核能海水淡化項目”列為重點工程。目前該項目的可行性研究工作基本結束。

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