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低溫核熱源與常規(guī)熱源耦合界面的可行性分析

中國市政工程西北設計研究院有限公司北京工程設計咨詢分院 郭奇志

1．核能供熱的意義和發(fā)展狀況
隨著能源需求的日益增長、對環(huán)境保護及節(jié)能節(jié)減排技術的大力推廣，低溫核能供熱的發(fā)展越來越受到國內外的重視。核供熱反應堆是一種安全、清潔而又經濟的能源。而在世界能源消耗結構中，供熱能源消耗占相當大的比例。所以，大力發(fā)展低溫核能供熱具有重要意義：以核代煤，緩解能源的緊張狀況；凈化環(huán)境，減少污染；緩解煤炭運輸緊張。
早在上世紀80年代末，清華大學核能研究院就推出了NHR低溫核供熱堆，建成了5 兆瓦試驗堆，并成功的運行。近年來，中國核動力研究設計院研究設計的池-殼式低溫供熱堆。主要應用的目標是作為城市集中供熱的低溫熱源。該種堆型屬于壓水堆范疇，在常壓、低于100℃的參數(shù)下運行，可以實現(xiàn)在任何事故工況下堆芯不會裸露，燃料元件不會燒毀，達到“無放射性后果”的目標，不需要廠外應急。在安全性方面，該堆型溫度低、壓力低，技術成熟，系統(tǒng)簡單，在極端事故工況下蓄壓水池可以淹沒反應堆阻止事故擴大，保證放射性物質的包容，本質安全性高?？芍苯舆M入商業(yè)應用。
2．低溫核熱源與常規(guī)熱源耦合界面的可行性分析
下面結合北方某城市集中供熱項目的實際運行工況、負荷發(fā)展情況，分析說明低溫核熱源的基本負荷與常規(guī)熱源的調峰負荷的耦合界面的可性行。
2.1基本參數(shù)
（1）.常壓堆核供熱系統(tǒng)參數(shù)及條件：
*初級熱源參數(shù)  90℃/50℃熱水
*熱水供給壓力  1.6MPa
*單堆熱功率   180MWt
*熱水產量    7740t/h
*反應堆冷卻劑與供熱管網之間設置2-3道實體隔離屏障；
*中間回路介質的壓力高于反應堆冷卻劑系統(tǒng)運行壓力；
*中間回路及熱水供應系統(tǒng)設置放射性監(jiān)測措施；
*核供熱系統(tǒng)輸出可根據(jù)供熱負荷的需求連續(xù)調節(jié)。
（2）現(xiàn)狀供熱系統(tǒng)的相關參數(shù)及條件：
*采暖室外計算溫度-14℃，采暖期天數(shù)147天。
*總供熱面積922萬m2，采暖期最大設計熱負荷495MW，全年耗熱量為4875094GJ。
2.2現(xiàn)狀供熱參數(shù)及運行調節(jié)分析
現(xiàn)場向運行管理人員了解了該供熱系統(tǒng)的實際運行情況：在采暖期的初寒期和末寒期，一級管網的供水溫度95~80℃，回水溫度55~50℃，溫差40~30℃。工作壓力1.0~1.1MPa。在深寒期（大約占整個采暖期的三分之一），一級管網的供水溫度110~100℃，回水溫度55~50℃，溫差60~40℃。工作壓力1.0~1.3MPa。二級管網的供水溫度60~50℃，回水溫度45~40℃，溫差10~20℃。
一級管網、二級管網均采用“分階段改變流量的質調節(jié)”。
（1）現(xiàn)狀設計工況下一、二級管網的水溫調節(jié)分析
一級管網的供、回水溫度120℃/60℃。溫差△t=60℃。
二級管網的供、回水溫度80℃/55℃。溫差△t=25℃。
一、二級管網均采用“分階段改變流量的質調節(jié)”。室外溫度0℃（含）以上時，一、二級管網的流量比均為0.8；室外溫度0℃以下時，一、二級管網的流量比均為1。由此計算現(xiàn)狀設計工況下一、二管網溫度調節(jié)表（附表1）：
從附表1可知，當室外溫度低于-6℃時，一級管網的供水溫度需要大于90℃。
（2）現(xiàn)狀實際運行工況下一、二級管網的水溫調節(jié)分析
一級管網的供、回水溫度110℃/50℃。溫差△t=60℃。
二級管網的供、回水溫度65~55℃/45℃。溫差△t=20~10℃。
一、二級管網均采用“分階段改變流量的質調節(jié)”。室外溫度0℃（含）以上時，一、二級管網的流量比均為0.8；室外溫度0℃以下時，一、二級管網的流量比均為1。由此計算現(xiàn)狀運行工況下一、二管網溫度調節(jié)表（附表2）：
從附表2可知，當室外溫度低于-8℃時，一級管網的供水溫度需要大于90℃。
通過對附表1、附表2的分析，可以清楚的看到，無論是設計工況還是運行工況，在室外溫度高于-6℃（-8℃）時，一級網的供水溫度低于90℃，一級網的最大溫差60℃，最小溫差30℃。
在北方某城市的整個采暖期中，室外溫度低于-8℃的天數(shù)，大約只占整個采暖期的三分之一（約49天）。
由此分析可知，核熱源提供的低溫參數(shù)：供、回水溫度90℃/50℃。溫差△t=40℃，在初寒期和末寒期的采暖中，是可以滿足要求的。
2.3 核熱源供熱參數(shù)及運行調節(jié)分析
采暖期最大設計熱負荷495MW，核熱源的建設規(guī)模確定為2×180MW，實際供熱能力即為360MW。一級管網設計供、回水溫度90℃/50℃，流量7740t/h，壓力1.6MPa。
核熱源提供的熱量，實際上只能滿足采暖期的大部負荷（平均熱負荷），而對于深寒期的峰值負荷卻不能滿足。因此，需要建設一調峰熱源，來滿足深寒期的峰值負荷。根據(jù)核反應堆的特性，核熱源在整個采暖期最好是滿功率平穩(wěn)運行。所以，核熱源在整個采暖期所提供的熱負荷為380MW，供熱參數(shù)90℃/50℃。結合某市供暖實際運行參數(shù)，我們可以確定采用“核熱源+調峰熱源”的供熱模式：
一級管網的設計供、回水溫度105℃/50℃。
二級管網的設計供、回水溫度65℃/45℃。
初步核算、分析，在初寒期和末寒期，在不進行流量、質量調節(jié)時，當室外溫度高于-9℃時，一級網的供水溫度低于90℃，見附表3，核熱源提供的熱負荷能滿足大約2524個小時（約105天）、即室外溫度高于-9℃時的采暖熱負荷。
2.4 調峰熱負荷的確定
在“核熱源+調峰熱源”的供熱模式下，一級管網的設計供、回水溫度確定為105℃/50℃。則：深寒期的峰值熱負荷：
  7740×（105-90）/0.86/1000=135MW
所以，針對核熱源提供的供、回水溫度90℃/50℃、Q=360MW的熱量，其需要配置的調峰熱量大約135MW，采暖期最大設計熱負荷495MW，從而計算出平均熱負荷345MW（與核熱源提供的熱負荷基本一致），全年采暖總熱負荷4875094GJ。其中，核熱源年供熱量穩(wěn)定不變等于4572288GJ，大約占全年采暖總熱負荷的93％。
結合某市相關的氣象資料、核熱源負荷、調峰熱源負荷，計算出不同室外溫度下的采暖熱負荷，延續(xù)時間及供熱量，見附表4。同時繪制采暖熱負荷延續(xù)曲線圖（附圖）。
3.核熱源廠調峰熱源
由前述分析可知，當室外溫度高于-9℃、熱網負荷低于73％時，常規(guī)熱源不投入，由核供熱系統(tǒng)提供穩(wěn)定熱負荷360MW，滿足供熱需求。當室外溫度低于-9℃，熱網負荷大于73％時，核供熱系統(tǒng)滿負荷運行，調峰熱源開始投入，并隨著室外溫度的變化，直至達到熱網的峰值負荷。在此過程中，流量保持不變。
初步比較，峰值熱源和核熱源通過直接混合加熱的耦合方案較為合理：
確定調峰熱源的設計供、回水溫度150℃/90℃。通過調峰熱源對部分核熱源的出水二次升溫，再與另外一部分核熱源出水混合，來滿足一級管網的設計供、回水溫度105℃/50℃。其主要工藝流程如下：
熱平衡計算：
熱平衡方程：m1h1+m2h2=m3h3
h1=CpT1 h2=CpT2 h3=CpT3
G1ρCpT1+G2ρCpT2=（G1ρ+G2ρ）CpT3G1（273+150）+G2（273+90）=（G1+G2）（273+105）
又：G1+G2=7740（t/h）
則：G1=1935（t/h）
根據(jù)前述調峰熱源確定的設計供、回水溫度150℃/90℃，則：
  Q1=1935×60/0.86=135000（kW）
由此，針對核熱源提供Q=360M的熱量，需配置調峰鍋爐2×68MW的熱水鍋爐。設計參數(shù)（調峰運行）：供、回水溫度150℃/90℃，壓力1.6MPa。如果某一核熱源事故時，調峰鍋爐降參數(shù)運行，供、回水溫度105℃/50℃，壓力1.6MPa。其事故最低供熱保證率達64％以上。
  綜上所述，“核熱源+調峰熱源”的供熱模式，無論從理論計算，還是實際運行分析，都有一個技術合理、運行可靠的耦合界面，且是一種非常節(jié)能的運行模式，在整個采暖期的三分之二實現(xiàn)零排放。而且隨著節(jié)能建筑的全面普及，低溫小溫差型的供暖形式在逐步發(fā)展，低溫核熱源的綜合優(yōu)勢更加明顯。