低温核热源与常规热源耦合界面的可行性分析

中国市政工程西北设计研究院有限公司北京工程设计咨询分院 郭奇志

1．核能供热的意义和发展状况
随着能源需求的日益增长、对环境保护及节能节减排技术的大力推广，低温核能供热的发展越来越受到国内外的重视。核供热反应堆是一种安全、清洁而又经济的能源。而在世界能源消耗结构中，供热能源消耗占相当大的比例。所以，大力发展低温核能供热具有重要意义：以核代煤，缓解能源的紧张状况；净化环境，减少污染；缓解煤炭运输紧张。
早在上世纪80年代末，清华大学核能研究院就推出了NHR低温核供热堆，建成了5 兆瓦试验堆，并成功的运行。近年来，中国核动力研究设计院研究设计的池-壳式低温供热堆。主要应用的目标是作为城市集中供热的低温热源。该种堆型属于压水堆范畴，在常压、低于100℃的参数下运行，可以实现在任何事故工况下堆芯不会裸露，燃料元件不会烧毁，达到“无放射性后果”的目标，不需要厂外应急。在安全性方面，该堆型温度低、压力低，技术成熟，系统简单，在极端事故工况下蓄压水池可以淹没反应堆阻止事故扩大，保证放射性物质的包容，本质安全性高。可直接进入商业应用。
2．低温核热源与常规热源耦合界面的可行性分析
下面结合北方某城市集中供热项目的实际运行工况、负荷发展情况，分析说明低温核热源的基本负荷与常规热源的调峰负荷的耦合界面的可性行。
2.1基本参数
（1）.常压堆核供热系统参数及条件：
*初级热源参数  90℃/50℃热水
*热水供给压力  1.6MPa
*单堆热功率   180MWt
*热水产量    7740t/h
*反应堆冷却剂与供热管网之间设置2-3道实体隔离屏障；
*中间回路介质的压力高于反应堆冷却剂系统运行压力；
*中间回路及热水供应系统设置放射性监测措施；
*核供热系统输出可根据供热负荷的需求连续调节。
（2）现状供热系统的相关参数及条件：
*采暖室外计算温度-14℃，采暖期天数147天。
*总供热面积922万m2，采暖期最大设计热负荷495MW，全年耗热量为4875094GJ。
2.2现状供热参数及运行调节分析
现场向运行管理人员了解了该供热系统的实际运行情况：在采暖期的初寒期和末寒期，一级管网的供水温度95~80℃，回水温度55~50℃，温差40~30℃。工作压力1.0~1.1MPa。在深寒期（大约占整个采暖期的三分之一），一级管网的供水温度110~100℃，回水温度55~50℃，温差60~40℃。工作压力1.0~1.3MPa。二级管网的供水温度60~50℃，回水温度45~40℃，温差10~20℃。
一级管网、二级管网均采用“分阶段改变流量的质调节”。
（1）现状设计工况下一、二级管网的水温调节分析
一级管网的供、回水温度120℃/60℃。温差△t=60℃。
二级管网的供、回水温度80℃/55℃。温差△t=25℃。
一、二级管网均采用“分阶段改变流量的质调节”。室外温度0℃（含）以上时，一、二级管网的流量比均为0.8；室外温度0℃以下时，一、二级管网的流量比均为1。由此计算现状设计工况下一、二管网温度调节表（附表1）：
从附表1可知，当室外温度低于-6℃时，一级管网的供水温度需要大于90℃。
（2）现状实际运行工况下一、二级管网的水温调节分析
一级管网的供、回水温度110℃/50℃。温差△t=60℃。
二级管网的供、回水温度65~55℃/45℃。温差△t=20~10℃。
一、二级管网均采用“分阶段改变流量的质调节”。室外温度0℃（含）以上时，一、二级管网的流量比均为0.8；室外温度0℃以下时，一、二级管网的流量比均为1。由此计算现状运行工况下一、二管网温度调节表（附表2）：
从附表2可知，当室外温度低于-8℃时，一级管网的供水温度需要大于90℃。
通过对附表1、附表2的分析，可以清楚的看到，无论是设计工况还是运行工况，在室外温度高于-6℃（-8℃）时，一级网的供水温度低于90℃，一级网的最大温差60℃，最小温差30℃。
在北方某城市的整个采暖期中，室外温度低于-8℃的天数，大约只占整个采暖期的三分之一（约49天）。
由此分析可知，核热源提供的低温参数：供、回水温度90℃/50℃。温差△t=40℃，在初寒期和末寒期的采暖中，是可以满足要求的。
2.3 核热源供热参数及运行调节分析
采暖期最大设计热负荷495MW，核热源的建设规模确定为2×180MW，实际供热能力即为360MW。一级管网设计供、回水温度90℃/50℃，流量7740t/h，压力1.6MPa。
核热源提供的热量，实际上只能满足采暖期的大部负荷（平均热负荷），而对于深寒期的峰值负荷却不能满足。因此，需要建设一调峰热源，来满足深寒期的峰值负荷。根据核反应堆的特性，核热源在整个采暖期最好是满功率平稳运行。所以，核热源在整个采暖期所提供的热负荷为380MW，供热参数90℃/50℃。结合某市供暖实际运行参数，我们可以确定采用“核热源+调峰热源”的供热模式：
一级管网的设计供、回水温度105℃/50℃。
二级管网的设计供、回水温度65℃/45℃。
初步核算、分析，在初寒期和末寒期，在不进行流量、质量调节时，当室外温度高于-9℃时，一级网的供水温度低于90℃，见附表3，核热源提供的热负荷能满足大约2524个小时（约105天）、即室外温度高于-9℃时的采暖热负荷。
2.4 调峰热负荷的确定
在“核热源+调峰热源”的供热模式下，一级管网的设计供、回水温度确定为105℃/50℃。则：深寒期的峰值热负荷：
  7740×（105-90）/0.86/1000=135MW
所以，针对核热源提供的供、回水温度90℃/50℃、Q=360MW的热量，其需要配置的调峰热量大约135MW，采暖期最大设计热负荷495MW，从而计算出平均热负荷345MW（与核热源提供的热负荷基本一致），全年采暖总热负荷4875094GJ。其中，核热源年供热量稳定不变等于4572288GJ，大约占全年采暖总热负荷的93％。
结合某市相关的气象资料、核热源负荷、调峰热源负荷，计算出不同室外温度下的采暖热负荷，延续时间及供热量，见附表4。同时绘制采暖热负荷延续曲线图（附图）。
3.核热源厂调峰热源
由前述分析可知，当室外温度高于-9℃、热网负荷低于73％时，常规热源不投入，由核供热系统提供稳定热负荷360MW，满足供热需求。当室外温度低于-9℃，热网负荷大于73％时，核供热系统满负荷运行，调峰热源开始投入，并随着室外温度的变化，直至达到热网的峰值负荷。在此过程中，流量保持不变。
初步比较，峰值热源和核热源通过直接混合加热的耦合方案较为合理：
确定调峰热源的设计供、回水温度150℃/90℃。通过调峰热源对部分核热源的出水二次升温，再与另外一部分核热源出水混合，来满足一级管网的设计供、回水温度105℃/50℃。其主要工艺流程如下：
热平衡计算：
热平衡方程：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）
则：G1=1935（t/h）
根据前述调峰热源确定的设计供、回水温度150℃/90℃，则：
  Q1=1935×60/0.86=135000（kW）
由此，针对核热源提供Q=360M的热量，需配置调峰锅炉2×68MW的热水锅炉。设计参数（调峰运行）：供、回水温度150℃/90℃，压力1.6MPa。如果某一核热源事故时，调峰锅炉降参数运行，供、回水温度105℃/50℃，压力1.6MPa。其事故最低供热保证率达64％以上。
  综上所述，“核热源+调峰热源”的供热模式，无论从理论计算，还是实际运行分析，都有一个技术合理、运行可靠的耦合界面，且是一种非常节能的运行模式，在整个采暖期的三分之二实现零排放。而且随着节能建筑的全面普及，低温小温差型的供暖形式在逐步发展，低温核热源的综合优势更加明显。