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核能小堆供热:升温进行中

2018-12-06 15:10:02 能源评论•首席能源观 作者:陈亮 魏孟举 刘伟

随着中国城市化进程的加快以及“蓝天保卫战”行动的推进,北方地区的清洁供暖正酝酿出巨大的市场和技术空间。在这种背景下,核能供热逐渐走进公众视野。

(来源:微信公众号“能源评论•首席能源观”ID:CEO_ER 作者:陈亮 魏孟举 刘伟)

“小堆”渐成热频词

作为一种重要的脱碳能源,核能的重要程度与其他低碳能源相当,是一种被证明能够提供稳定电力和热源的成熟技术。核能供热是以核裂变产生的能量为热源的城市集中供热方式,是解决城市能源供应、减轻运输压力和消除燃煤环境污染的新途径。

城市集中供热所需温度不高,现有的核能技术较易满足要求。目前,正在发展中的有以下三种核能供热方式:

城市集中供热专用泳池式低温供热堆。这种核反应堆为开口、常压,可输出100℃左右的热水供城市使用。据初步估算,400兆瓦单堆工程可供热面积为1500万平方米,总投资约13.5亿元,运行寿命达60年。泳池式低温供热堆由于工作参数低、安全性好,因此适宜于建造在城市附近。

核热电站。它和普通的热电站原理相似,只是用核反应堆代替矿物燃料锅炉。核热电站反应堆工作参数低,必须按照电站选址规程建在远离居民区的地点。

化学热管远程核供热系统。它利用高温气冷堆产生的900摄氏度左右的高温热源,进行可逆反应,并在常温下通过管道送到用户,在再生(甲烷化)装置中产生逆反应放出化学热,供用户使用。这种方法可将核热送到远处,供大片地区使用。

近年来,由于在集中供暖或海水淡化方面的亮眼表现,小型模块化反应堆(Small ModularReactors又称小堆)正在引起越来越多的市场关注。小堆可以降低资金成本,为小型或离网系统提供电力和热源,一些小堆的设计中还使用了非能动安全系统,可以在发生事故时无需操作员,即可非能动地导出余热,因此安全系数也比较高。

核能复兴的一小步

自从2011年福岛核泄漏事故发生以来,世界范围内的核能发展普遍陷入低潮,任何新建核能项目,都需将公众接受程度放在首位。而小堆由于安全性较高,正在成为各国“复兴”核能的一个步骤。近年来,美国、俄罗斯、阿根廷等国都在积极部署小堆的建设,美国的小堆发展项目通过与核工业企业分摊成本,来刺激小堆技术的商业化进程,最终目的,是要取代不符合排放标准的热电厂。在俄罗斯,由核电巨头Rosatom建造的一个浮式小堆项目出现在科拉湾海域,这种浮式项目在福岛核事故之后获得了意想不到的支持度,因为海水可以避免冷却装置的失灵,从而能够抵御海啸的冲击。

我国也经历了2016、2017年两年的核电项目“零核准”,因此在产业层面,小堆供热被视为核能多元化应用的一个重要尝试。国家“十三五”规划提出支持战略性新兴产业发展,加速开发新一代小型核动力系统。《能源发展“十三五”规划》提出,要适时启动智能小型堆等自主创新示范项目,推进核能综合利用。

在地方层面,京津冀地区作为我国对清洁热能需求最为迫切的地区,近年来也在开展小堆供热方面的探索和实践。《环渤海地区合作发展纲要》提出,要积极推进核能小型堆的布局工作;《北方地区冬季清洁取暖规划(2017~2021年)》明确指出,将研究探索核能供热,推动现役核电机组向周边供热,安全发展低温泳池堆供暖示范。河北省能源“十三五”规划也提出,“积极推进核小堆建设,争取列入国家首批示范工程”、“建设多用途、智能化核小堆示范项目”、“着力推进智能微网和‘互联网+’智慧能源、多能互补集成优化、规模化储能、风光储输一体化、核小堆供热、新能源开发利用等一批示示范项目”、“加快核小堆项目前提工作,力争国家首个示范项目落地我省”。

在小堆的安全性方面,从2013年开始,国家也陆续开展了小型核动力堆法规标准适用性研究、小型核动力堆非居住区和规划限制区的管理研究、小型核动力堆严重事故和应急准备研究、小型核动力堆设计安全要求等一系列专题研究工作。

在社会层面,与核能发展大环境一致,对于核能供热,公众最为关心的问题是放射性和安全性。据中国电力发展促进会核能分会提供的数据,我国每年人均受到的核放射性低于煤炭。通过深入科普宣传,让公众真正了解核能供热供热技术的安全性,民众将会逐步接受核能供热。

示范性是关键

尽管拥有多种优势,小堆目前在世界范围内仍未实现商业化应用,其中最为核心的争论围绕其经济性和安全性展开。

在经济性方面,从规模效益的角度来看,大型核反应堆比小堆更具经济性,但是,越来越多的专家指出,规模效益在核工业领域并不成立,因为核反应堆的规模越大,其技术越复杂、建设的工期也越长,这些都会抵消边际成本的下降。而小堆由于建设周期短,可以更快地回收成本、实现盈利。以美国的Nuscale项目为例,这个项目包括12个小堆模块,预计全部工期为51个月。但一个模块建成之后即可马上用于发电,其他模块可以同期建设,这大大缩短了工期,增强了工程的可控性,降低了财务风险。

在安全性方面,小堆更能显示出其优势。近期《福布斯》杂志发表了的一篇文章题名为《当小堆失灵的时候,你需要跑多远》,这篇文章援引美国原子能委员会的观点认为,小堆在安全性上有其独特的优势,当系统失灵的时候,你甚至可以站在一旁,静观其变。

在经济性和安全性都稳定、可控的情况下,推广小堆的关键在哪里呢?IEA发布的《2050核能技术路线图》表示,关键在于示范效应。要建立一个小堆市场,首要条件是供应商在自己国家首先成功地建造第一座小型堆,然后其他国家才会考虑在本国推广。这篇报告认为,除非各国政府和工业界能够在未来十年通力合作,加快首座小堆原型的部署,以证明模块化设计和建设的好处,否则小堆的市场潜力在短期内无法实现。

我国也不例外,即小堆的第一步,必须在政府和企业的共同主导下完成。河北省发改委与中广核集团曾于2017年7月20日和11月1日两次联合向国家能源局上报请示文,申请同意建设河北邢台小型核供热堆示范项目。2018年2月6日,国家能源局下发《关于北方地区冬季核能供暖座谈会的会议纪要》,本次会议纪要可视为“路条”。2018年3月26日,核电小堆进一步得到了国家能源局和广核集团相关领导的共同首肯,相当于“准核准”。邢台核能供暖示范项目首台机组计划于2018年12月开工建设,单台机组建设周期33个月,两台机组开工时间间隔6个月,2021年冬天供暖。项目厂址位于邢台市邢台县会宁乡中庄村,距离邢台市最近边界约13公里,距离中庄村约400米。

牵一发而动全身

由于涉及到千千万万的工业和家庭用户,因此供热系统的改善是一个系统工程,小堆供热的推广,也将带来一个多方重新角力的格局。

对热电厂而言,热电无法同时兼顾的特点导致热电联产机组运行灵活性差,效率不高。我国小热电经过多年运行实践证明,大多效益不佳,离开大电网的支持,难以为继。核能供热发展初期,能够解决部分供热问题,热电联产机组受供热容量约束程度有效降低,有更大发电空间,以最大效率运行,有利于提高发电企业效益。

对于发电企业而言,当实现大规模应用后,核能供热会在一定程度上削弱由于供热负荷的昼夜特性和季节特性带来的电网供电负荷峰谷差。因此,调峰电厂在峰荷期间的出力有可能降低,对调峰电厂效益带来一定影响。

核能供热技术大规模应用后,有可能成为未来城市供热的主要能源形式,彻底取代热电联产机组。因此,发电企业应转变企业发展模式,考虑有序退出热电联产机组,或进行纯凝机组改造。

核能供热还将改变电网负荷的动态特征。核能供热服务对象为冬季居民供暖和工业热力用户,这两种负荷呈现出明显的季节特性和昼夜特性,并且占比较高。核能供热的发展必然在一定程度上取代电力供热负荷,从而改变电网企业供电负荷特性。因此,核能供热的广泛应用,将使电网负荷动态特性发生巨大变化。

然而,多年来形成的固有调度模式仅适用于传统负荷特性,对于核能供热造成的负荷特性变化传统调度模型已经无法保证电网安全高效运行,这就要求电网调度依据新的负荷特性制定相应的调度策略,以保证电网运行的安全性和经济性。

(作者系国网河北省电力有限公司经济技术研究院能源发展研究中心高级工程师、主任;及本刊记者。)

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