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科工力量:首个核能供热项目投运,中国南方开启供暖新时代
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2021年12月,我国南方地区首个核能供热项目——浙江海盐核能供热示范工程(一期)在浙江海盐正式投运,供暖面积达46万平方米,惠及近4000户居民。到“十四五”末项目全部建成,能够满足海盐约400万平方米供暖需求。
据测算,相对于南方地区的电取暖方式,该项目全部建成投运后,每年可节约电能消耗1.96亿度,为我国南方大规模集中供热项目建设发挥了良好的示范作用。
核电厂余热利用绿色环保
核电站发电过程中会释放巨大的能量,一部分能量会转化成电能,另一部分能量会转化为热能耗散掉。核能供热就是把这些原本耗散逃逸掉的热能利用起来,从核电机组二回路抽取蒸汽作为热源,通过厂内换热首站、厂外供热企业换热站进行多级换热,再经市政供热管网将热量传递至千家万户。
核能供热并非多么革新的技术,其很多技术原理核煤电厂供热是类似的,都是充分利用电厂余热供热方、采热方之间只有热量交换,不存在其他任何介质传输,这就避免了水或其他媒介接触到核物质,受放射性污染。具体来说,核电厂会在含放射性的一回路和热网之间设置隔离回路,隔离回路会把热能传给热网蒸汽回路,同时保证放射性也不会进入热网。热网蒸汽回路则将热能传递给千家万户。
为保障安全,核电站与供热用户间有多道回路进行隔离,每个回路间不存在媒介交换,只传递热能。目前,全世界400余台在运核反应堆中有超过1/10的机组已实现热电联供,且已累计安全运行约1000堆/年,从国内外核能供热实践看,核能供热是相对安全可靠的方案。
核能供热最大的优点就是绿色环保,不需要额外制造碳排量,不需要消耗化石燃料,只是对核电厂的余热进行利用。据测算,相对于南方地区的电取暖方式,浙江海盐核能供热示范工程全部建成投运后,每年可节约电能消耗1.96亿度。相对于燃煤火电机组,每年可减少燃用标煤约2.46万吨。相应地每年减排二氧化硫1817吨、氮氧化物908吨、二氧化碳5.9万吨,非常符合当下减少碳排放的时代精神。
其实,浙江海盐核能供热示范工程并非国内第一个核能供热工程,早在2019年,国内就建成“暖核一号”70万平方米供热项目,2021年11月,“暖核一号”450万平方米供热项目正式投运。“暖核一号”位于山东海阳核电厂,被国家能源局命名为“国家能源核能供热商用示范工程”,海阳核电1号机组成为世界上最大的热电联产机组。
(水热同传)
值得一提的是,海阳核电厂还实现了水热同传。海阳核电水热同传科技示范项目设计输送量为每天180吨,依托海阳核电已有的海水淡化工程及供热设施,将满足饮用水标准的淡化海水加热至85℃,利用一根管道输送到用户,并在此进行水热分离,热量进入热力系统,放热后的水进入供水系统使用。目前,国内在推进水热同产同送项目研究,如果海阳核电厂8台机组全部完成改造,可实现供热2亿㎡、每日供水140万吨,满足周边城市供水供热需求。
低温供热堆可在北方灵活部署
除了核电厂余热可以用于城市供暖之外,低温供热反应堆也是一个不错的选择。
几十年前,北欧就有民用核能供暖的核反应堆。苏联在勃涅日涅夫时期,为了城市集中供暖的需要,也兴建过核能供热反应堆。一些西欧国家也专门研究过低温供热堆,但在核能供热反应堆商业化运营方面尚无成功范例。之所以苏联和瑞典能够民用化,而西欧国家在商业化运营方面遭遇困境,主要还是地理和气候因素。
核电厂供热是余热再利用,发电是主业,供热是副业,即便季节性供热也不影响经济性。而低温供热堆是专用供热堆,瑞典、苏联维度高,气候寒冷,低温供热堆可以全年供热。但西欧国家大多数是温带海洋气候和地中海气候,不需要像苏联和瑞典那样进行全年供暖,只需要季节性供暖。恰恰低温供热堆是专用供热堆,并不能用于发电,这就使低温供热堆在非高纬度地区会产生较大浪费,不适合商业化运营。
我国于上世纪80年代初期开始研发核能供热反应堆,目前已有“燕龙”、“玲珑”、“HAPPY200”等堆型。根据公开数据,一座400兆瓦的供热堆,能给20万户三居室供暖,如果用这种核供热堆来取代同等功率的燃煤锅炉房,每年可减少32万吨煤炭使用量。
将核供热堆与高温多效蒸馏工艺相结合,还可以用于海水淡化,一座200兆瓦核供热堆可日产淡水约16万吨,而成本只有约每吨5元。在国外缺水地区,这个价格还是很有市场竞争力的。比如阿拉伯半岛部分国家,既临海又缺水,还不差钱。
中国北方一些城市的淡水供应严重依赖各种大型工程,比如天津“引滦入津”工程的引水长度达234公里,大连“引英入连”输水管线工程全长达114.5公里,目前这些工程的成本由财政承担,并没有被计入淡水价格中。而如果将引水工程的真实成本计入淡水水价中,核供热堆用于海水淡化在中国北方的部分缺水城市,也具备一定经济竞争力。
2019年,国家核电、上海核工院先后与国核吉林核电有限公司、国家电投黑龙江分公司签署《吉林白山核能供热项目总承包框架协议》和《国家电投佳木斯综合智慧核能供热示范项目工程总承包框架协议》。白山核能供热项目将采用HAPPY200,该堆按双堆布置,每年可替代32万吨燃煤,为白山市提供800万平方米的冬季采暖需求。佳木斯综合智慧核能供热示范项目采用国家电投上海核工院研发的一体化多功能供热堆。之所以在白山市和佳木斯建设供暖堆,主要还是两地地处东北高寒地区,适合部署低温供暖堆。
就安全性而言,国内各堆型均具有较高的安全性,可以从理论上排除发生类似切尔诺贝利核电站、福岛核电站这样事故的可能。从福岛核事故来看,反应堆的安全性高度依赖停堆后的能动降温措施带走堆芯余热。当地震引发的海啸导致福岛核电站全厂断电后,所有能动降温措施失效,而反应堆内的剩余裂变和裂变产物衰变会持续产生剩余功率,这使得堆芯温度不断上升,加上日本东电在处置中优柔寡断,最终诱发了有史以来最为严重的核事故。相比之下,国内低温供热堆从设计之初就充分考虑了固有安全性,即便发生意外,冷却水可以确保实现“零堆熔”。
结语
由于民间普遍存在“谈核色变”的情况,这使核能供热在舆论上容易受到非议。从全球的案例来看,无论是核电厂余热供暖,还是低温供热堆供暖都是非常成熟的技术,在国内外都有成功案例,是相对比较安全的技术。从适用条件来看,核电厂余热供暖比较适合距离核电厂150公里以内的城市,而低温供暖堆比较适合北方寒冷地区,可以在寒冷地区灵活部署。随着节能降耗和碳中和成为大势所趋,核能供暖相对于煤炭取暖、天然气取暖和电取供暖的优势会进一步显现。
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