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核能供热来了!发电之余兼职供热,安全吗?能大面积推广吗?

坐落于瑞士北部莱茵河畔的贝兹瑙核电站(Beznau)是世界上最年迈的核电站——分别于1969年、1971年投入运行的两台核电机组仍在服役,提供电力的同时,该核电站自1980年开始“兼职”供热,通过140多公里的管道向11个社区的工业和家庭输送热力。

自核能和平应用于电力生产后,上世纪70年代以来,包括瑞士、俄罗斯、保加利亚、罗马尼亚等国逐渐设计开发出很多核供热系统,作为区域集中供热或工业供热热源,积累了丰富的运行经验。国际上利用核能热电联供原理供热的压水堆机组已累计安全运行1000堆年。

尽管已有40年实践经验,但中国大陆地区第一座核电站投入运行后,除了厂用小规模供热外,没有大型商用核电厂热电联产为周边居民供热的案例。11月15日,山东海阳核能供热项目一期工程第一阶段正式投用,首开国内核能商业供热先河,山东核电有限公司员工倒班宿舍、海阳市部分居民小区在内的70万平方米区域,在全国首批用上了稳定、清洁的核能供热。

“山东模式”的探索不止于此。海阳核电规划在2021年实现供热范围覆盖厂址周边30km、满足海阳市内供热需求,根据周边城市的需求还可以适当增加;2023年实现供热范围覆盖厂址周边60km、面积3000万平米;随着后续机组建成投产,远期可实现供热面积2亿平米以上,核能供热将广泛应用于青烟威(青岛、烟台、威海)胶东半岛地区。

核能供热与传统供热形式有什么不一样?如何保障安全?经济账怎么算,能不能推及到全国更大范围内?澎湃新闻(www.thepaper.cn)近日走进地处黄海之滨的海阳核电站,一探核能供热的方方面面。

海阳核电站

从核电站到居民家中,核能供热如何确保安全?

海阳核电站位于山东青岛、烟台、威海三大城市之间。项目规划建设6台百万千瓦级核电机组,并预留两台扩建场地,是世界首批三代核电项目,也是山东省单体投资最大的清洁能源项目、首个开工建设并建成投运的核电站。一期工程1、2 号机组作为国家三代核电自主化依托项目,单台额定容量为1253兆瓦,已分别于2018年10月22日、2019年1月9日投入商运。两台机组预计2019年全年发电量将达到206亿度,可供山东省超过三分之一居民生活使用一年。

核能供热目前可实现的方式主要有两种,一种是在城市中或近郊建低参数的低温核供热堆,这类小堆更为灵活,但仍面临经济性掣肘。另一种是基于现有的大型核电厂,利用核电站的抽汽向热网供热,抽汽温度和压力根据热网需求、输热管线的长短决定。

在海阳核电项目中,供热是大型核电站在完成发电“主业”同时顺带的“副业”。

澎湃新闻记者走访海阳核电厂内换热首站、海阳市丰源热力有限公司总换热站了解到,核能热电联产与火电热电联产相类似。但虽然说起来都是“烧开水”,核电站通过五个回路对厂外供热的设计要复杂得多。

核能供热五回路示意图

在核电站运行中,核裂变产生热量,把水加热产生蒸汽,蒸汽推动汽轮机转动、汽轮机带动发电机转动从而发出电能。在这个过程中,核反应产生的能量会先加热压力容器中的高压水,受热后的高压水流入蒸汽发生器中,用来加热蒸汽发生器中压力略低的水。由于压力低的水沸点低,此时压力低的水受热就会变成蒸汽去推动汽轮机转动。

所谓的抽汽,就是从中抽取一部分推动汽轮机工作的蒸汽,用来加热核电厂内换热首站的水,加热后的水再经过三回路换放传送至地方热力公司总换热站,继而像传统供热模式一样加热原有市政供热网络内的水,将热量送到千家万户。

山东核电设计管理处工程师张真对澎湃新闻介绍称,从蒸汽加热水到水加热水,核电站与供热用户之间设置了多道回路进行隔离,只存在热量的交换,不涉及介质的掺混。“除了用多道隔离以及压差设计来保障供热安全外,我们还在出厂前设置了辐射监测装置,进一步确保安全可靠。”

将原本全部用来推动发电的蒸汽导出一部分用来“烧水供热”,会不会影响核电站本身的发电效率呢?张真介绍,已投运的70万平米供热抽汽量对海阳核电发电的影响很小。除此之外,核电循环冷却水余热中仍有大量可利用来集中供热的潜力。

核电厂区内的换热首站,在此进行汽-水热交换

海阳核能供热的经济账:居民用暖价格不增加、政府财政负担不增长

分工上,海阳核电厂供热首站负责向厂外热力公司提供稳定的热水作为热力公司换热站的热源,以取代热力公司原有的燃煤锅炉。热力公司负责核电厂外所有热网的建设及运维,以及向最终用户提供稳定热源。

澎湃新闻记者在海阳市丰源热力有限公司换热站看到,原有的65吨燃煤锅炉已经停止运行。该公司董事长赵新称,以往燃煤锅炉供热产生的噪音和所需工作人员多,现在换热站内可以做到无人值守。

原有的65吨燃煤锅炉已经停止运行

“如果(核能供热)到2021年实现整个海阳地区450万平方米供热面积全覆盖的话,可以替代现有的海阳400多个吨位的供热燃煤锅炉,如果核能供热面积扩展到2亿平方米,烟青威地区所有用于集中供热的锅炉可全部替代。” 赵新说道。

经改造后的丰源热力临港核能供热首站,在此进行水-水热交换

这对于近年来减煤压力颇大的山东省而言,意义不言而喻。据介绍,以供热面积每百万平米计算,核能供热项目每年可节约标煤3.3万吨(按山东省燃煤热值计算,折合原煤6.24万吨)。

国内目前多种供热方式并存,经济性是决定核能供热与其他能源品类供热相比市场竞争力几何的另一关键因素。

讨论大型核电站供热经济性时,不容忽视的一点是,国内相关法规对核电厂周边的人口密度有明确限制规定:根据《核动力厂环境辐射防护规定》(GB6249-2011),必须在核动力厂周围设置非居民区和规划限制区。非居民区(该区域内严禁有常住居民)边界离反应堆的距离不得小于500m,规划限制区(与非居民区直接相邻的区域,该区域内必须限制人口的机械增长)半径不得小于5km。规划限制区范围内不应有1万人以上的乡镇,厂址半径10km范围内不应有10万人以上的城镇。

相比之下,可实施热电联产的大型火电厂距离城市负荷中心更近,远距离输送是否稀释了核能供热的经济性?

“我们经过测算,核电厂热电联产在经济性竞争力上可以和大型燃煤电厂热电联产相持平。”山东核电有限公司党委书记、董事长吴放接受澎湃新闻等媒体采访时称,海阳核能供热项目同时实现了“居民用暖价格不增加、政府财政负担不增长、热力公司利益不受损、核电企业经营做贡献、生态环保效益大提升”。

“目前100公里以内的供热距离,现有技术都可以保证较高的经济性和热效率。”吴放称,倒推几十年前,远距离输热受到技术限制。俄罗斯等国家的冬季供热时间更长,核电供热的经济性有别于我国。随着近年来保温材料、施工工艺的发展,国内核电远距离供热成为可能。

核电厂传统上单纯发电,热能利用效率相对较低,上述多方共赢局面正是靠提高核电厂热效率、综合利用核能来实现。

澎湃新闻在采访中了解到,若将来供热面积扩大到周边450万平米区域,海阳核电厂的热效率可以从现有的36.69%提高到39.94%。

在经济账之外,吴放认为核能供热的隐形效益还在于使核电站运营方进一步融入当地发展,“通过采暖季供热,我们可以更深入地融入周边社会经济发展。”

海阳核能供热,在国内可复制吗?

截至今年9月底,我国大陆地区运行核电机组共47台,分布在南至海南昌江、北至辽宁红沿河的沿海地带。靠核电站能量阶梯利用来为地区供热、核电厂效益提升同时地方公用事业企业及下游用户利益均不受损的海阳经验,可在多大范围内复制推广?

从核电机组分布的省份来看,广东、浙江、福建的核电装机容量位列前三,秦岭淮河线以北地区的在建在运核电站有江苏连云港田湾核电、山东烟台海阳核电、山东威海荣成核电、辽宁大连红沿河核电。

国家电投科技与创新部副主任赵伟明曾对媒体表示,我国核电机组大多分布在秦岭淮河线以南的沿海地区,地处亚热带,冬季短且少严寒。如果将此区域核电站进行供热改造,那经济性提升不明显,东北地区沿海的核电机组用来供热具有较大空间。

统计公报显示,胶东半岛青岛、烟台、威海三市2018年末常住人口总数约1934万人,2018年地区生产总值(GDP)23475亿元。经济发展水平、人口密度、狭长地形、已有在建在运项目的核电基地布局,共同促成了大型商用核电厂热电联产在胶东半岛的现实可行性。

“核电不可能包打天下。”吴放补充道,远期整个胶东地区的清洁取暖实际上是以核能供热为基础,搭配风电、光伏及储能作调峰。“胶东半岛一旦能以这种以核为主、多能互补的方式解决供暖问题,辽东半岛也一样,两者地理位置、形状、气候相似。”

位于辽宁西部沿海葫芦岛市、仍待官方核准正式开工的徐大堡核电站也有类似规划。

2017年,辽宁核电有限公司副总经理葛政法接受媒体采访时表示,徐大堡核电供热专题自2015年启动相关工作,开展了系统研究论证。根据方案,徐大堡核电站一期工程核电机组拟向距离厂址18公里的绥中县城实施区域供热,供热面积为500万平方米,供热距离约22公里。他同时表示,“核电厂热电联供具有良好的环保优势和社会效益,按照目前葫芦岛地区的供暖价格,核电供暖能够确保基本的资本收益率要求,并且具有极大的环保效益和社会效益。”

另据澎湃新闻了解,田湾核电站也已启动核电机组为周边提供热力及工业用气的相关工作。

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