近日，一聲令下，在江蘇連云港徐圩新區(qū)田灣核電基地，工業(yè)蒸汽不斷地涌向連云港石化基地能源中樞——虹洋熱電，標志著我國首個工業(yè)用途核能供汽項目——“和氣一號”項目在該基地正式建成投產(chǎn)，也意味著我國核能綜合利用從單一發(fā)電、民用供暖等，拓展進入到工業(yè)供汽領域。
遠眺田灣核電基地。江蘇核電 供圖
在綠色能源和低碳發(fā)展的浪潮中，核能作為一種安全、經(jīng)濟、高效、可靠的清潔能源，備受關注。近些年，我國出臺《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》《2024—2025年節(jié)能降碳行動方案》《2030年前碳達峰行動方案》等一系列政策，推動核能綜合利用。
作為國家首批“綠色低碳先進技術示范工程項目”，“和氣一號”為國內石化基地能源供應的綠色升級提供了新方案。核能如何輸“汽”？核能與石化聯(lián)手又將產(chǎn)生怎樣的化學反應？
綠色：核能“燒開水”，為石化行業(yè)提供零碳蒸汽
“和氣一號”承載了核電人的美好期許，從項目的命名就能體會到：“和氣”取“核汽”諧音，既富行業(yè)特色，又寓意和和氣氣、和氣生財。“一號”則體現(xiàn)了作為全國首家核能供汽項目的嘗試，打破了石化行業(yè)的高溫高壓蒸汽主要使用煤炭作為熱源的“壟斷”。
蒸汽是石化行業(yè)不可或缺的生產(chǎn)要素，它可作為熱源用于加熱物料、反應器以及設備；在原油提煉、化學品分離過程中，對物質純化也起到重要作用。每年，徐圩新區(qū)需要制備大量的蒸汽滿足園區(qū)生產(chǎn)生活需求，采用核能供汽將有效降低能耗、減少碳排放。
核能如何生“汽”？就像在家“燒開水”一樣。
熱源和水是產(chǎn)生蒸汽的兩個必備條件。“田灣核電3、4號機組內的核燃料發(fā)生核裂變產(chǎn)生的能量，加熱二回路的水，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，成為‘和氣一號’的熱源。”江蘇核電二廠廠長、正高級工程師張祥貴說，這一步產(chǎn)生的蒸汽能夠驅動汽輪發(fā)電機發(fā)電，這也是核能發(fā)電的原理。若要實現(xiàn)供“汽”，則要從中抽取一部分蒸汽在能源站中加熱海水淡化廠生產(chǎn)的除鹽水，使除鹽水成為符合工業(yè)標準的蒸汽，符合工業(yè)標準的蒸汽再經(jīng)過三回路管網(wǎng)傳送到用汽端。
“和氣一號”項目的受汽端——連云港石化基地。江蘇核電 供圖
據(jù)了解，工業(yè)蒸汽需達到1.8兆帕、248攝氏度的標準，且要在嚴格的工藝參數(shù)下進行控制，以確保產(chǎn)品質量。張祥貴補充解釋道，“進入汽輪發(fā)電機做功發(fā)電的核能蒸汽熱效率一般不超過40%，這意味著剩余的熱量將通過凝聚器外排。通過‘多級換熱’技術，熱量可更充分地轉化為工業(yè)蒸汽，使機組實際熱效率得以提高。”
建設美麗中國，持續(xù)改善生態(tài)環(huán)境質量，根本在于加快推動發(fā)展方式綠色低碳轉型。“不同于石化基地傳統(tǒng)燃煤機組生產(chǎn)蒸汽，‘和氣一號’將清潔核能升級替代傳統(tǒng)化石能源，大大降低了蒸汽生產(chǎn)中的碳排放。”張祥貴算了一筆生態(tài)賬，這意味著“和氣一號”的實施，不僅能滿足石化產(chǎn)業(yè)的用汽需求，更能為降低綜合能耗和消除環(huán)境污染等方面提供有益助力。
據(jù)測算，項目的建成投產(chǎn)，每年可為連云港石化產(chǎn)業(yè)基地提供480萬噸工業(yè)蒸汽，相當于每年減少燃燒標準煤40萬噸，等效減排二氧化碳107萬噸、二氧化硫184噸、氮氧化物263噸，相當于新增植樹造林面積2900公頃。同時，隨著“碳核算”的逐步展開，每年可為石化基地節(jié)省70多萬噸碳排放指標，為地方打造萬億級石化產(chǎn)業(yè)集群、實施制造業(yè)重點產(chǎn)業(yè)鏈高質量發(fā)展提供有力支撐。
破局：創(chuàng)新超長距離供熱技術，實現(xiàn)核能供汽自主化
“和氣一號”作為核能供汽的“破局者”，國內外都無先例可循，這意味著項目從設計建設之初就要做探路者。
“探索、調試、磨合幾乎成了家常便飯。”張祥貴表示，在初步設計階段審查技術規(guī)格書、圖紙、專篇等設計文件150余份，提出設計審查意見1000余條。而在運行機組方面，兩臺機組雖已實現(xiàn)汽輪機、發(fā)電機到常規(guī)島的完全國產(chǎn)化，但其改造工程量之大，堪比建造一座百萬千瓦級核電機組的常規(guī)島。不過，令他印象深刻的還是蒸汽調試。
在蒸汽輸送之初，蒸汽參數(shù)不達標問題曾讓研發(fā)人員犯愁。“現(xiàn)在看來，只需調整蒸汽發(fā)生器參數(shù)和液位就能解決的問題，當時‘困’了大家好幾個月。唯有逐個設備調整試驗，嘗試尋找‘癥結’所在。”張祥貴說，縱有千難萬阻，好在“和氣一號”最終“闖關”成功，為核能綜合利用技術國產(chǎn)化提供了樣本，進行了開創(chuàng)性實踐。
在田灣核電站內，核電站生產(chǎn)的工業(yè)蒸汽由一條銀色管道輸送到連云港石化基地。這條管道全長23.36公里，根據(jù)用汽需求，管道外直徑設計為0.92米，是國內第一條超大口徑、超長距離核能供熱蒸汽管網(wǎng)。
“和氣一號”項目的輸汽管道（局部）。江蘇核電 供圖
長距離輸送，如何降低蒸汽的熱量損失？“和氣一號”為此下足了功夫。據(jù)了解，在“控溫”方面，該項目創(chuàng)新性采用了國內單套容量最大的雙側相變式蒸汽轉換技術，可以實現(xiàn)冷熱介質的逆向對流高效換熱，確保出口蒸汽溫度控制在260攝氏度左右。在“保溫”防護上，管網(wǎng)材質方面也格外考究，采用了預制架空保溫管，并以三重復合保溫結構技術為核心，在工作管外層包裹了7層分別用納米氣凝膠、微孔硅酸鈣瓦、聚氨酯等材質制成的高溫層。經(jīng)測試，“重重包裹”下的蒸汽可實現(xiàn)每公里溫度下降不超過1攝氏度。同時，管網(wǎng)每隔一公里就設置溫度、壓力測點，精確感知管網(wǎng)輸送介質情況。
在一般情況下，當正常室溫遇到高溫蒸汽，管網(wǎng)內外的巨大溫差會使管道發(fā)生輕微膨脹變形出現(xiàn)位移。“為最大程度減少位移對管網(wǎng)輸送的影響，我們每隔一段距離就在管道加設‘U’型彎，以吸收膨脹產(chǎn)生的位移量，確保管網(wǎng)走向、位置準確。”張祥貴說。
輸送高溫蒸汽的管網(wǎng)猶如一條在海岸線蜿蜒的銀色“巨龍”，格外顯眼。據(jù)了解，在核電站內部，還有不少技術和設計創(chuàng)新，為源源不斷地供汽送汽保駕護航。
“和氣一號”設置了4套蒸汽轉換裝置，每套裝置包括一臺一級預熱、一臺二級預熱、一臺蒸發(fā)器和一臺過熱器，蒸汽的“多級換熱”就是在其中完成的。“不同于核能生電，這套設備要在蒸發(fā)器兩側同時完成‘水-汽’和‘汽-水’兩種介質的轉換，這是該項目的難點所在。”張祥貴解釋道，為解決這一難題，蒸發(fā)器采用管殼式、集成化設計理念，創(chuàng)新性地將管內凝結和管內過冷兩組管束設置在同一蒸發(fā)器殼體內，讓管側（汽變水）和殼式（水變汽）的介質均發(fā)生相變傳熱。同時，這種設計設備體積小，能夠節(jié)約占地空間。
此外，“和氣一號”還解決了壓水堆核電廠大規(guī)模工業(yè)供汽熱電聯(lián)產(chǎn)堆機熱匹配技術。該項目配套的海水淡化項目是目前江蘇省內最大，也是中國核電領域最大項目。據(jù)了解，項目平時采用海水直接淡化，冬季則可以利用3、4號機組海水排水隧道內的溫排水，減少能耗，這為核電廠溫排水的大規(guī)模綜合利用提供了范例。
安心：設置多重安全屏障，確保穩(wěn)定高效運行
“和氣一號”以綠色安全、穩(wěn)定高效作為項目定位。核電、石化對安全要求極高，對于大家所關心的核能供汽安全問題，張祥貴細述了項目的幾道安全屏障。
“和氣一號”能源站中控室。江蘇核電 供圖
首先，通過多重隔絕技術，確保核電廠一回路、二回路，及工業(yè)蒸汽回路系統(tǒng)各自獨立運作、彼此隔離。這意味著在核能供汽過程中，只涉及熱量交換，沒有任何水或者蒸汽的物質交換，從而最大程度保證工業(yè)蒸汽的安全性。
其次，創(chuàng)新性加設輻射監(jiān)測儀表和快關閥。“和氣一號”在主蒸汽取汽管道和工業(yè)蒸汽管道上增加了輻射監(jiān)測儀表，當儀表出現(xiàn)異常超過臨界值時，快關閥可在5秒內快速關閉，來自3、4號機組熱源的加熱蒸汽被迅速隔離，確保放射性“安檢”不合格的蒸汽絕不會流向用汽端。
“根據(jù)調試測算的閥門關閉時間，我們?yōu)槠辞谐葮O端情況的發(fā)生制定應急預案。”張祥貴介紹，他們每年還要對相關操作人員開展至少80學時的復訓和模擬演練，定期進行考核。
保障了綠色、安全，核能供汽穩(wěn)定高效的優(yōu)勢才能夠更好地發(fā)揮。
近年來，煤炭、石油、天然氣等大宗化石能源的價格波動明顯，供應穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。在業(yè)內人士看來，核能綜合利用與高耗能行業(yè)耦合發(fā)展將進一步凸顯核能的零碳價值，可以滿足高耗能行業(yè)多樣化的用能需求。
據(jù)了解，目前田灣核電站可實現(xiàn)核電機組連續(xù)運行18個月不中斷，為石化行業(yè)提供穩(wěn)定的蒸汽供應。“在設計上，我們對3、4號機組的加熱汽源進行調整，采用單機組供汽或兩臺機組聯(lián)合供汽兩種方式。如此一來，即使是遇到機組換料大修，也能實現(xiàn)每小時600噸額定負荷無擾切換連續(xù)供汽，從而保證每年8000小時蒸汽連續(xù)供應。”張祥貴說。
“和氣一號”不僅拓展了核能的應用場景，為核能工業(yè)供汽提供了成功經(jīng)驗，也推動了核能綜合利用和多元發(fā)展的探索。據(jù)了解，當前江蘇還在探索海上光伏、工業(yè)制氫、抽水蓄能等項目。全部建成后，田灣基地將成為超1200萬千瓦的大型清潔能源基地。
