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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(shè)計研究院有限公司北京工程設(shè)計咨詢分院 郭奇志

1．核能供熱的意義和發(fā)展?fàn)顩r
隨著能源需求的日益增長、對環(huán)境保護(hù)及節(jié)能節(jié)減排技術(shù)的大力推廣，低溫核能供熱的發(fā)展越來越受到國內(nèi)外的重視。核供熱反應(yīng)堆是一種安全、清潔而又經(jīng)濟(jì)的能源。而在世界能源消耗結(jié)構(gòu)中，供熱能源消耗占相當(dāng)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(yùn)輸緊張。
早在上世紀(jì)80年代末，清華大學(xué)核能研究院就推出了NHR低溫核供熱堆，建成了5 兆瓦試驗(yàn)堆，并成功的運(yùn)行。近年來，中國核動力研究設(shè)計院研究設(shè)計的池-殼式低溫供熱堆。主要應(yīng)用的目標(biāo)是作為城市集中供熱的低溫?zé)嵩?。該種堆型屬于壓水堆范疇，在常壓、低于100℃的參數(shù)下運(yùn)行，可以實(shí)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(dá)到“無放射性后果”的目標(biāo)，不需要廠外應(yīng)急。在安全性方面，該堆型溫度低、壓力低，技術(shù)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(yīng)堆阻止事故擴(kuò)大，保證放射性物質(zhì)的包容，本質(zhì)安全性高?？芍苯舆M(jìn)入商業(yè)應(yīng)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(jié)合北方某城市集中供熱項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行工況、負(fù)荷發(fā)展情況，分析說明低溫核熱源的基本負(fù)荷與常規(guī)熱源的調(diào)峰負(fù)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(chǎn)量    7740t/h
*反應(yīng)堆冷卻劑與供熱管網(wǎng)之間設(shè)置2-3道實(shí)體隔離屏障；
*中間回路介質(zhì)的壓力高于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)運(yùn)行壓力；
*中間回路及熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置放射性監(jiān)測措施；
*核供熱系統(tǒng)輸出可根據(jù)供熱負(fù)荷的需求連續(xù)調(diào)節(jié)。
（2）現(xiàn)狀供熱系統(tǒng)的相關(guān)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(shè)計熱負(fù)荷495MW，全年耗熱量為4875094GJ。
2.2現(xiàn)狀供熱參數(shù)及運(yùn)行調(diào)節(jié)分析
現(xiàn)場向運(yùn)行管理人員了解了該供熱系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況：在采暖期的初寒期和末寒期，一級管網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)的供水溫度60~50℃，回水溫度45~40℃，溫差10~20℃。
一級管網(wǎng)、二級管網(wǎng)均采用“分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)”。
（1）現(xiàn)狀設(shè)計工況下一、二級管網(wǎng)的水溫調(diào)節(jié)分析
一級管網(wǎng)的供、回水溫度120℃/60℃。溫差△t=60℃。
二級管網(wǎng)的供、回水溫度80℃/55℃。溫差△t=25℃。
一、二級管網(wǎng)均采用“分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)”。室外溫度0℃（含）以上時，一、二級管網(wǎng)的流量比均為0.8；室外溫度0℃以下時，一、二級管網(wǎng)的流量比均為1。由此計算現(xiàn)狀設(shè)計工況下一、二管網(wǎng)溫度調(diào)節(jié)表（附表1）：
從附表1可知，當(dāng)室外溫度低于-6℃時，一級管網(wǎng)的供水溫度需要大于90℃。
（2）現(xiàn)狀實(shí)際運(yùn)行工況下一、二級管網(wǎng)的水溫調(diào)節(jié)分析
一級管網(wǎng)的供、回水溫度110℃/50℃。溫差△t=60℃。
二級管網(wǎng)的供、回水溫度65~55℃/45℃。溫差△t=20~10℃。
一、二級管網(wǎng)均采用“分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)”。室外溫度0℃（含）以上時，一、二級管網(wǎng)的流量比均為0.8；室外溫度0℃以下時，一、二級管網(wǎng)的流量比均為1。由此計算現(xiàn)狀運(yùn)行工況下一、二管網(wǎng)溫度調(diào)節(jié)表（附表2）：
從附表2可知，當(dāng)室外溫度低于-8℃時，一級管網(wǎng)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(shè)計工況還是運(yùn)行工況，在室外溫度高于-6℃（-8℃）時，一級網(wǎng)的供水溫度低于90℃，一級網(wǎng)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(yùn)行調(diào)節(jié)分析
采暖期最大設(shè)計熱負(fù)荷495MW，核熱源的建設(shè)規(guī)模確定為2×180MW，實(shí)際供熱能力即為360MW。一級管網(wǎng)設(shè)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(shí)際上只能滿足采暖期的大部負(fù)荷（平均熱負(fù)荷），而對于深寒期的峰值負(fù)荷卻不能滿足。因此，需要建設(shè)一調(diào)峰熱源，來滿足深寒期的峰值負(fù)荷。根據(jù)核反應(yīng)堆的特性，核熱源在整個采暖期最好是滿功率平穩(wěn)運(yùn)行。所以，核熱源在整個采暖期所提供的熱負(fù)荷為380MW，供熱參數(shù)90℃/50℃。結(jié)合某市供暖實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，我們可以確定采用“核熱源+調(diào)峰熱源”的供熱模式：
一級管網(wǎng)的設(shè)計供、回水溫度105℃/50℃。
二級管網(wǎng)的設(shè)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(jìn)行流量、質(zhì)量調(diào)節(jié)時，當(dāng)室外溫度高于-9℃時，一級網(wǎng)的供水溫度低于90℃，見附表3，核熱源提供的熱負(fù)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(fù)荷。
2.4 調(diào)峰熱負(fù)荷的確定
在“核熱源+調(diào)峰熱源”的供熱模式下，一級管網(wǎng)的設(shè)計供、回水溫度確定為105℃/50℃。則：深寒期的峰值熱負(fù)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(diào)峰熱量大約135MW，采暖期最大設(shè)計熱負(fù)荷495MW，從而計算出平均熱負(fù)荷345MW（與核熱源提供的熱負(fù)荷基本一致），全年采暖總熱負(fù)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(fù)荷的93％。
結(jié)合某市相關(guān)的氣象資料、核熱源負(fù)荷、調(diào)峰熱源負(fù)荷，計算出不同室外溫度下的采暖熱負(fù)荷，延續(xù)時間及供熱量，見附表4。同時繪制采暖熱負(fù)荷延續(xù)曲線圖（附圖）。
3.核熱源廠調(diào)峰熱源
由前述分析可知，當(dāng)室外溫度高于-9℃、熱網(wǎng)負(fù)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(fù)荷360MW，滿足供熱需求。當(dāng)室外溫度低于-9℃，熱網(wǎng)負(fù)荷大于73％時，核供熱系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行，調(diào)峰熱源開始投入，并隨著室外溫度的變化，直至達(dá)到熱網(wǎng)的峰值負(fù)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(diào)峰熱源的設(shè)計供、回水溫度150℃/90℃。通過調(diào)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(wǎng)的設(shè)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(diào)峰熱源確定的設(shè)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(diào)峰鍋爐2×68MW的熱水鍋爐。設(shè)計參數(shù)（調(diào)峰運(yùn)行）：供、回水溫度150℃/90℃，壓力1.6MPa。如果某一核熱源事故時，調(diào)峰鍋爐降參數(shù)運(yùn)行，供、回水溫度105℃/50℃，壓力1.6MPa。其事故最低供熱保證率達(dá)64％以上。
  綜上所述，“核熱源+調(diào)峰熱源”的供熱模式，無論從理論計算，還是實(shí)際運(yùn)行分析，都有一個技術(shù)合理、運(yùn)行可靠的耦合界面，且是一種非常節(jié)能的運(yùn)行模式，在整個采暖期的三分之二實(shí)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。