核能海水淡化與供熱技術(shù)
[摘要] 由清華大學(xué)自主研發(fā)、中核能源科技有限公司負(fù)責(zé)產(chǎn)業(yè)化推廣的一體化全功率自然循環(huán)殼式核供熱堆技術(shù)，可以用于區(qū)域供熱和制冷、海水（苦咸水）淡化及水、熱、冷、電聯(lián)供等。具有安全可靠、綜合利用程度高、經(jīng)濟(jì)競爭力強(qiáng)等特點(diǎn)。本文介紹了海水淡化與集中供熱技術(shù)的發(fā)展趨勢，以及一體化殼式核供熱堆技術(shù)的商業(yè)目標(biāo)和新進(jìn)展。
1 核能的非發(fā)電應(yīng)用
核能的和平利用，除了發(fā)電領(lǐng)域以外，在非發(fā)電領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。
由清華大學(xué)自主研發(fā)，中核能源科技有限公司（以下簡稱”中核能源”）負(fù)責(zé)產(chǎn)業(yè)化推廣的一體化全功率自然循環(huán)殼式核供熱堆（以下簡稱”一體化殼式供熱堆”）技術(shù)，可以用于區(qū)域供熱和制冷、海水（苦咸水）淡化、以及水、熱、冷、電聯(lián)供等。
中核能源在中國核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)和清華大學(xué)的大力支持下，經(jīng)過三年多的充分準(zhǔn)備，已經(jīng)開始在核電和非發(fā)電領(lǐng)域，全面推動模塊式高溫氣冷堆技術(shù)和一體化殼式供熱堆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化工作。本文主要介紹采用一體化殼式供熱堆作為熱源，進(jìn)行海水淡化與供熱的技術(shù)。
2 城市供熱與海水淡化技術(shù)的發(fā)展趨勢
由于節(jié)能降耗、減排環(huán)保和提高經(jīng)濟(jì)性的綜合要求，采用常規(guī)能源的城市集中供熱和海水淡化技術(shù)具有以下發(fā)展的趨勢：
2.1 大規(guī)模供熱或海水淡化
城市集中供熱朝著單臺大容量、高參數(shù)鍋爐、大規(guī)模區(qū)域供熱發(fā)展，200MW以上的熱電聯(lián)供機(jī)組和40t/h以上的區(qū)域供熱鍋爐已在北方大城市投入運(yùn)行，大型供熱機(jī)組比重將日益增加。熱水管網(wǎng)設(shè)計(jì)最高溫度已達(dá)150℃，最大供熱半徑20km，最大管徑1400mm；蒸汽管網(wǎng)最高溫度已達(dá)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(wǎng)系統(tǒng)，最大供熱面積達(dá)到1200萬平方米；熱源為區(qū)域鍋爐房的熱力管網(wǎng)系統(tǒng)，最大供熱面積達(dá)到500萬平方米；熱源為熱電廠和調(diào)峰鍋爐房聯(lián)合供熱的熱力管網(wǎng)系統(tǒng)，最大供熱面積達(dá)到4000萬平方米。
海水淡化也是朝著擴(kuò)大單臺裝置產(chǎn)能和擴(kuò)大淡化廠建設(shè)規(guī)模的方向發(fā)展，多級閃蒸單臺裝置產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到7.6萬m3/d，低溫多效單臺裝置產(chǎn)水能力將達(dá)到6.8萬m3/d，單套反滲透淡化裝置產(chǎn)水能力也已達(dá)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(chǎn)規(guī)模分別達(dá)到日產(chǎn)45萬m3、24萬m3和33萬m3。
2.2 熱電冷聯(lián)產(chǎn)和熱電水聯(lián)產(chǎn)
城市集中供熱通過熱、電聯(lián)產(chǎn)和熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)，獲得明顯的節(jié)能降耗、減排環(huán)保、提高熱效率和供熱質(zhì)量、增加電力生產(chǎn)供應(yīng)等綜合效益。循環(huán)流化床鍋爐的熱效率大于85％，分別高于大型區(qū)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(lián)產(chǎn)也取得良好的綜合效益。電水聯(lián)產(chǎn)的海水淡化廠制水成本在4.3～5元/m3之間，經(jīng)濟(jì)效益明顯好于獨(dú)立海水淡化廠的6～6.7元/m3。
2.3 供熱能源結(jié)構(gòu)多元化，開始采用潔凈燃料
中國目前的供熱能源結(jié)構(gòu)趨于多元化，煤炭、燃油、天然氣、電能、太陽能、地?zé)岬榷家呀?jīng)用于供熱，但是仍以煤炭為主。供熱形式有熱電廠、區(qū)域鍋爐房、分散鍋爐房、家庭用小燃煤爐等。部分城市開始發(fā)展燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電熱電廠，已達(dá)到高效、節(jié)能、減少污染、提高電網(wǎng)調(diào)峰能力的目的。與燃煤火力發(fā)電廠相比，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)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(guī)模供熱與海水淡化的理想熱源
核供熱堆，可以用于城市區(qū)域供熱和制冷、海水（苦咸水）淡化、中低溫工藝熱、水、熱、電、冷聯(lián)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(shù)發(fā)展趨勢和需求，具有以下特點(diǎn)：
3.1 可以大規(guī)模供熱和產(chǎn)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(chǎn)約5400t的工業(yè)蒸汽，在南方地區(qū)約可生產(chǎn)45萬m3淡化水？梢宰鳛榇笠(guī)模供熱、供汽和海水淡化生產(chǎn)的首選。
3.2 可以實(shí)現(xiàn)水、熱、冷、電聯(lián)供
目前一體化殼式核供熱堆已經(jīng)可以做到城市供熱和海水淡化聯(lián)供，在5MW核供熱堆上完成了10萬m2的冬季供熱、夏季制冷運(yùn)行，并完成熱電聯(lián)供試驗(yàn)。
3.3 具有良好的環(huán)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(shí)現(xiàn)化石燃料排放物和二氧化碳的零排放，減少放射性物質(zhì)、燃料運(yùn)輸量、燃料貯存場地和揚(yáng)塵，具有良好的環(huán)境效益。
表1：200MW供熱站與化石燃料鍋爐房對環(huán)境影響的比較
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4 一體化殼式供熱堆技術(shù)的商業(yè)目標(biāo)和新進(jìn)展
與核電的遠(yuǎn)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(fù)荷中心和用戶。因此，用于海水淡化和供熱的核反應(yīng)堆應(yīng)當(dāng)具有比核電站更高的安全可靠性。同時還要具有良好的經(jīng)濟(jì)性。為此，用于非電力領(lǐng)域的核反應(yīng)堆必須實(shí)現(xiàn)以下商業(yè)目標(biāo)才能夠進(jìn)入市場，進(jìn)入市場后才能夠持續(xù)發(fā)展。
4.1 一體化殼式供熱堆技術(shù)的商業(yè)目標(biāo)
市場對核能海水淡化與供熱的總體要求是:技術(shù)成熟、先進(jìn)；安全可靠;經(jīng)過驗(yàn)證；商業(yè)可行。一體化殼式供熱堆技術(shù)已經(jīng)滿足這些要求。
4.1.1 技術(shù)成熟、先進(jìn)
由于核能海水淡化與供熱的反應(yīng)堆技術(shù)更接近負(fù)荷中心和用戶，因此要求其應(yīng)當(dāng)是基于成熟技術(shù)發(fā)展起來的先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)。全世界現(xiàn)有443座核電機(jī)組在運(yùn)行，總功率為三億六千九百萬千瓦。還有26座在建。已經(jīng)積累了一萬堆年以上的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，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(shù)的82％，到2006年上半年，輕水堆已經(jīng)積累了8983堆年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)是完全成熟的。一體化殼式供熱堆運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于核電站，同時由于采用了一體化、自穩(wěn)壓、全功率自然循環(huán)、新型的控制棒水力傳動裝置、非能動的余熱排出系統(tǒng)、雙重承壓殼等先進(jìn)技術(shù)，保證了核供熱堆的安全可靠性。
4.1.2 安全可靠
對于先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)的安全可靠性，包含著對反應(yīng)堆系統(tǒng)的固有安全性、設(shè)備和系統(tǒng)長期運(yùn)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(xiàn)在以下幾個方面：
1) 一體化、自穩(wěn)壓和全功率自然循環(huán)設(shè)計(jì)
反應(yīng)堆主回路系統(tǒng)采用一體化、自穩(wěn)壓和自然循環(huán)設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)特性可以保證200MW核反應(yīng)堆在任何設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，堆芯不會裸露，因此，該堆不必設(shè)置應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)。
2) 非能動安全系統(tǒng)
除了主回路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全功率的自然循環(huán)冷卻以外，反應(yīng)堆最重要的安全系統(tǒng)--余熱排出系統(tǒng)也采用了自然循環(huán)方式，因此，即使喪失外電源，也可以長期維持反應(yīng)堆堆芯的可靠冷卻。從技術(shù)角度看，在示范項(xiàng)目建成運(yùn)行以后，完全可以取消應(yīng)急柴油機(jī)系統(tǒng)。
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(hù)措施：
1) 雙重停堆保護(hù)系統(tǒng)
一體化殼式反應(yīng)堆控制棒采用水力驅(qū)動系統(tǒng)，整個控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)置在壓力殼內(nèi)，工作介質(zhì)為反應(yīng)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?zhǔn)椒磻?yīng)，關(guān)閉反應(yīng)堆。同時，該堆還設(shè)置了注硼系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了安全停堆的可靠度。
2) 中間隔離回路
在反應(yīng)堆主回路與海水淡化裝置（集中供熱回路）之間設(shè)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(jìn)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(tǒng)簡單，設(shè)備簡化、操作方便
由于一體化殼式供熱堆系統(tǒng)簡單、設(shè)備簡化，對于任何設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，保護(hù)邏輯系統(tǒng)一般只自動觸發(fā)兩種動作，即停堆和打開余熱排出系統(tǒng)的閥門，不需要操縱員干預(yù)，從而大大降低誤操作的可能性。
4.1.3 經(jīng)過驗(yàn)證
一項(xiàng)新技術(shù)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(yīng)盡量采用已經(jīng)取得良好業(yè)績的成熟技術(shù)，需要采用的新技術(shù)必須經(jīng)過必要的試驗(yàn)驗(yàn)證。
從20世紀(jì)80年代開始，在輕水堆成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，一體化殼式供熱堆通過“六五”階段的準(zhǔn)備，“七五”、“八五”和“九五”階段的技術(shù)攻關(guān)，建成了世界上第一座5MW低溫核供熱實(shí)驗(yàn)堆，并開展了熱電聯(lián)供、制冷空調(diào)、海水淡化等綜合利用技術(shù)的研究開發(fā)和試驗(yàn)。在5MW供熱堆的設(shè)計(jì)研究過程中，共取得52項(xiàng)科研成果，攻克13項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)，獲得5項(xiàng)國家專利，有7項(xiàng)技術(shù)成果達(dá)到國際先進(jìn)水平，并獲得13項(xiàng)部委獎和2項(xiàng)國家級獎。5MW供熱堆獲得1992年國家科技進(jìn)步一等獎，反應(yīng)堆控制棒步進(jìn)式水力驅(qū)動系統(tǒng)獲得1990年國家發(fā)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(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。
4.1.4 商業(yè)可行
核能的非電力應(yīng)用，在市場上應(yīng)能根據(jù)需求提供不同的建設(shè)規(guī)模和產(chǎn)品組合方案；在經(jīng)濟(jì)上示范項(xiàng)目能夠保本微利，商業(yè)項(xiàng)目優(yōu)于采用化石燃料的同類項(xiàng)目；在環(huán)境效益上屬于環(huán)境友好型。
一體化殼式供熱堆技術(shù)將形成系列產(chǎn)品，系列1可以實(shí)現(xiàn)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(lián)供。
系列1已經(jīng)完成工程初步設(shè)計(jì)，依據(jù)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(fā)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(jīng)濟(jì)性已經(jīng)與區(qū)域供熱的燃煤供熱站相當(dāng)，好于燃?xì)夤嵴尽：Ｋ矫，生產(chǎn)的高純水成本已經(jīng)與用自來水生產(chǎn)的高純水成本相當(dāng)。
在5MW供熱堆連續(xù)3個冬季的供暖運(yùn)行中，堆的總體性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，其供熱可運(yùn)行率高達(dá)99%。
4.2 一體化殼式供熱堆技術(shù)的新進(jìn)展
繼系列1之后，目前已經(jīng)完成系列2 的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即將向國家核安全審管當(dāng)局報審。
系列2可以與單純膜法海水淡化工藝、膜法/熱法結(jié)合的海水淡化工藝耦合，可以根據(jù)市場需求進(jìn)行淡化水、工業(yè)蒸汽、城市供熱和制冷聯(lián)供。由于殼式一體化核供熱堆的參數(shù)低，發(fā)電與核電站相比并不經(jīng)濟(jì)，但是在商業(yè)電價較高的條件下，生產(chǎn)的廠用電成本低于商業(yè)電價，對于降低海水淡化總成本仍然具有經(jīng)濟(jì)意義。其生產(chǎn)淡化水和工業(yè)蒸汽的成本，已經(jīng)與采用化石燃料和熱電聯(lián)產(chǎn)方式生產(chǎn)的淡化水和工業(yè)蒸汽成本相當(dāng)。
4.3 核能海水淡化高技術(shù)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(yù)可行性研究，通過了國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）的審評。
2001年，國家計(jì)委將山東核能海水淡化項(xiàng)目列為”高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”。2005年，國家發(fā)改委、國家海洋局和國家財(cái)政部發(fā)布的“海水利用專項(xiàng)規(guī)劃”中，又將”山東煙臺核能海水淡化項(xiàng)目”列為重點(diǎn)工程。目前該項(xiàng)目的可行性研究工作基本結(jié)束。
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