壓水堆核能熱電水多聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行模式的經(jīng)濟(jì)性分析

陳 聰，曾 暢，宋丹戎，羅 彥，盧 濤，王 月

(1.中國核動力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041；2.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；3.中國成達(dá)工程有限公司，四川 成都 610000)

0 概述

隨著核能技術(shù)的發(fā)展，核能作為清潔、穩(wěn)定、高效的能源形式除了發(fā)電外，核能取代常規(guī)能源用于區(qū)域供熱、海水淡化、熱化學(xué)制氫等多種應(yīng)用已經(jīng)具有一定的可行性[1-2]，其經(jīng)濟(jì)性已成為各國研究的焦點(diǎn)。作為模塊化設(shè)計(jì)的小堆也試圖與大堆形成互補(bǔ)的格局，其市場價(jià)值和戰(zhàn)略意義得到了較為廣泛的社會認(rèn)同，具有較大的潛在市場前景[3]。

目前一些學(xué)者已針對核能熱電聯(lián)產(chǎn)和水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性開展了分析[4-11]。Jaskólski等[4]針對AP1000反應(yīng)堆熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算，得到供熱成本為11.8 GJ。王永福和孫玉良[5]對比了高溫氣冷堆和燃?xì)鈾C(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明高溫氣冷堆熱電聯(lián)產(chǎn)上網(wǎng)電價(jià)低于燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)上網(wǎng)電價(jià)，具備替代燃?xì)鈾C(jī)組進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的潛力。辛國柏等[6]提出將小型堆熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用到化工園區(qū)中，其經(jīng)濟(jì)性相比燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)有優(yōu)勢。Ghazaie等[7]利用DEEP軟件對多種核能水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性展開討論，發(fā)現(xiàn)將氣冷堆和多效蒸餾技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合供水成本最低，為0.711 $/m3。Sadeghi等[8-9]則提出多種核電站與海水淡化廠耦合的方式，得出當(dāng)采用核電站冷凝器排出的熱水作為海水淡化的給水時(shí)供水成本最低。Khan等[10]將SMART小型模塊化反應(yīng)堆與反滲透法海水淡化裝置進(jìn)行聯(lián)合，得到該熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供電成本和供水成本分別為0.067 4 $/kWh和0.81 $/m3。李錦等[11]利用夜間低谷時(shí)期富余核電進(jìn)行反滲透法海水淡化，探究了不同運(yùn)行方式對1 000 MWe壓水堆水電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性和調(diào)峰能力的影響，得到“反滲透海水淡化廠白天半負(fù)荷運(yùn)行、夜間滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)”最佳運(yùn)行方式下，水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供水成本及調(diào)峰成本相對較低。通過以上文獻(xiàn)調(diào)研可知，目前較少學(xué)者對比分析同一反應(yīng)堆熱電聯(lián)產(chǎn)和水電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性以及反應(yīng)堆規(guī)模對核能多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

本文分別以ACP100和ACP1000反應(yīng)堆作為研究對象，基于壓水堆核能多聯(lián)產(chǎn)熱經(jīng)濟(jì)性模型，探討壓水堆核能熱電聯(lián)產(chǎn)和水電聯(lián)產(chǎn)兩種運(yùn)行模型下的熱經(jīng)濟(jì)性，為核能多聯(lián)產(chǎn)可行性分析提供參考。

1 核能多聯(lián)產(chǎn)熱經(jīng)濟(jì)性模型

1.1 壓水堆相關(guān)參數(shù)

目前，核反應(yīng)堆規(guī)模是總投資成本重要的影響因素，以小型堆ACP100和大型堆ACP1000作為對象，表1列出了兩種壓水堆型相關(guān)技術(shù)和財(cái)務(wù)參數(shù)。從表中可以看出，模塊化小型壓水堆ACP100建成單位投資較高，預(yù)計(jì)約為38 000元/kW，而大型壓水堆ACP1000建成單位投資預(yù)計(jì)約為16 000元/kW*。

表1 兩種堆型反應(yīng)堆技術(shù)和財(cái)務(wù)參數(shù)

1.2 熱電/水電聯(lián)產(chǎn)熱經(jīng)濟(jì)性模型

核能熱電聯(lián)產(chǎn)供熱單位成本和供電單位成本按照熱量法進(jìn)行計(jì)算[12-13]，主要由分?jǐn)偙葋泶_定，表示為

(1)

αe=1-αh

(2)

式中αh和αe——供熱分?jǐn)偙群凸╇姺謹(jǐn)偙?

Qtp和Qtp(h)——總?cè)剂蠠崃亢凸崴牡娜剂蠠崃?

D0和Dh——總耗汽量和供熱抽汽量;

h0、hh、h′h和hfw——主蒸汽比焓、汽輪機(jī)抽汽比焓、回水比焓和給水比焓。

供熱單位成本Ch計(jì)算公式可表示為

(3)

式中Gt——核能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)年度總成本支出(包括投資成本、運(yùn)維成本、燃料成本以及退役成本)[14];

Mt——年度運(yùn)維成本;

Ft——年度燃料成本;

Ht——年度退役基金和核處理費(fèi)成本;

Bt——年度供熱量。

供電單位成本Ce計(jì)算公式為

(4)

式中Et——年度發(fā)電量。

核能水電聯(lián)產(chǎn)的供熱單位成本和供電單位成本，其相關(guān)計(jì)算方法同核能熱電聯(lián)產(chǎn)一致。對于海水淡化廠供水成本，需考慮海水淡化工程建設(shè)成本、藥劑成本、工資福利、維修管理費(fèi)用及耗電/熱成本等。表2給出黃島電廠3 000 m3/h低溫多效蒸餾海水淡化裝置相關(guān)技術(shù)和財(cái)務(wù)參數(shù)[15]。供水單位成本Cw計(jì)算公式為

表2 低溫多效蒸餾相關(guān)技術(shù)和財(cái)務(wù)參數(shù)

(5)

式中At——年度供水量;

Nt——海水淡化廠年度總成本(除耗電/熱成本);

B′t——海水淡化廠年度耗熱量;

E′t——海水淡化廠年度耗電量。

2 壓水堆核能熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性

2.1 小型壓水堆核能熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性分析

以小型壓水堆ACP100為例，對其熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。該反應(yīng)堆熱功率為385 MWth，主蒸汽參數(shù)為P0=4.3 MPa，t0=292 ℃，h0=2 927 kJ/kg?？紤]汽輪機(jī)抽汽用于供熱，抽汽參數(shù)為Ph=0.45 MPa，th=148 ℃，hh=2743 kJ/kg，回水比焓h′h=335 kJ/kg。實(shí)際排汽壓力Pc=0.004 MPa，排氣比焓hc=1 870 kJ/kg，凝結(jié)水比焓h′c=119 kJ/kg。

為研究熱電比(熱電機(jī)組實(shí)際對外供熱量與機(jī)組上網(wǎng)電量的比值)對核能熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的影響，針對熱電比分別為0、3、6、9、12等參數(shù)條件下進(jìn)行計(jì)算分析，其結(jié)果如表3所示。由于采用熱電聯(lián)產(chǎn)，整個(gè)電廠的熱電聯(lián)供能量利用總效率(熱電總功率與反應(yīng)堆熱功率的比值)大幅提高，當(dāng)熱電比由0增加至12時(shí)，電廠熱電聯(lián)供能量利用總效率由32.5%提高到84.8%。供電單位成本從0.43元/kWh降低到0.18元/kWh，可見熱電聯(lián)產(chǎn)有利于降低核電站發(fā)電成本。對于供熱單位成本，其單位成本基本不變，為43元/GJ。

2.2 壓水堆規(guī)模對核能熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的影響分析

為研究反應(yīng)堆規(guī)模對熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的影響，假定小型堆ACP100和大型堆ACP1000均用于熱電聯(lián)產(chǎn)，提供給熱用戶的供熱功率均為300 MWth，對其熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析。ACP1000反應(yīng)堆熱功率為3 050 MWth，主蒸汽參數(shù)為P0=6.5 MPa，t0=280.9 ℃，h0=2 776 kJ/kg。

表4給出了這兩種堆型反應(yīng)堆熱電聯(lián)產(chǎn)計(jì)算結(jié)果。從表4中可以看出，當(dāng)提供給熱用戶的供熱功率固定為300 MWth時(shí)，ACP100和ACP1000這兩種核反應(yīng)堆的供熱單位成本分別為43元/GJ和23元/GJ，主要原因在于對于小型堆而言，其建成單位投資成本遠(yuǎn)大于大堆。而對于供電單位成本，盡管建成單位投資成本遠(yuǎn)大于大型堆，但由于小型堆的熱電比較大，導(dǎo)致熱電聯(lián)供能量利用總效率較高，從而使得小型堆的供電單位成本和大型堆差別不太大，分別為0.19元/kWh和0.2元/kWh。

2.3 壓水堆核能熱電聯(lián)產(chǎn)供熱成本和市場供熱價(jià)格對比

目前全國供熱蒸汽價(jià)格大體相同，以青島為例，居民供熱價(jià)格為42.29元/GJ，工業(yè)用蒸汽價(jià)格為69.72元/GJ?；谙惹坝?jì)算數(shù)據(jù)，得到當(dāng)提供給熱用戶的供熱功率固定為300 MWth時(shí)，ACP100和ACP1000這兩種堆型的供熱單位成本(暫不考慮三回路)分別43元/GJ和23元/GJ，數(shù)量級相當(dāng)。因此，針對工業(yè)用蒸汽，不論是大堆還是小堆，核能熱電聯(lián)產(chǎn)與市場供熱價(jià)格相比均具有一定的競爭力，而且核反應(yīng)堆運(yùn)行不依賴于化石燃料，沒有CO2、SO2等氣體排放問題，環(huán)境效應(yīng)顯著。

3 壓水堆核能水電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性

3.1 小型壓水堆核能水電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性分析

基于低溫多效蒸餾海水淡化工藝，分析不同熱電比對小型堆ACP100水電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的影響，研究結(jié)果見表5。

表5 不同熱電比下的核能水電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果

從表5中可以看到，隨著熱電比從0增加到12，核電站供熱量增加，因此核電站供電功率從125 MWe降低至24.4 MWe，供熱功率從0 MWth增加到292.8 MWth，相應(yīng)的水電聯(lián)供能量利用總效率從32.5%增加到84.8%，最終得到海水淡化廠供水量從0增加至92 567 m3/d。隨著熱電比的增加，海水淡化廠供水耗電單位成本從0.68元/m3降低至0.34元/m3，供水耗熱單位成本基本保持在10元/m3左右。綜合海水淡化廠其他的供水單位成本，得到不同熱電比下的核能水電聯(lián)產(chǎn)供水總單位成本約為13元/m3左右。另外，從總供水單位成本占比來看，供水耗熱單位成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他成本。

3.2 壓水堆規(guī)模對核能水電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的影響分析

為研究反應(yīng)堆規(guī)模對水電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的影響，假定ACP100和ACP1000兩種核反應(yīng)堆用于水電聯(lián)產(chǎn)，相應(yīng)的海水淡化廠供水量均為90 000 m3/d，對其水電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析。

表6給出了這兩種功率反應(yīng)堆熱電聯(lián)產(chǎn)計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)果表明，當(dāng)海水淡化廠供水量固定為90 000 m3/d時(shí)，ACP100和ACP1000這兩種核反應(yīng)堆水電聯(lián)產(chǎn)所得到的總供水單位成本分別為12.44元/m3和8.09元/m3，其主要原因?yàn)?，對于小型堆而言，其建成單位投資成本高于大型堆。

表6 兩種堆型反應(yīng)堆水電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果

3.3 壓水堆核能水電聯(lián)產(chǎn)供水成本和自來水廠水價(jià)對比

受淡水資源稟賦特征的影響，我國國內(nèi)各地居民自來水價(jià)偏差較大，南方雨水豐沛地區(qū)，水價(jià)偏低，在2～3元/m3之間，北方缺水地區(qū)，多為3～5元/m3，北京、天津等嚴(yán)重缺水地區(qū)，居民水價(jià)高達(dá)4元/m3。而對于工業(yè)水價(jià)，南方基本在2～3元/m3之間，北方大部分地區(qū)3～4元/m3，而北京天津工業(yè)水價(jià)可高達(dá)7～8元/m3[16]。綜合上述研究結(jié)果，可以知道若采用大型堆和低溫多效蒸餾工藝進(jìn)行水電聯(lián)產(chǎn)，水價(jià)為8元/m3左右。隨著核能水電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)營水平提升，水價(jià)仍有進(jìn)一步下降的空間。因此針對北方缺水地區(qū)工業(yè)用水需求，核能水電聯(lián)產(chǎn)與自來水廠供水價(jià)格相比具有一定的競爭力。核能海水淡化以海水作為取水源，是對現(xiàn)有淡水資源的有益增補(bǔ)，不與民生和生態(tài)爭水，不僅具有潛在的經(jīng)濟(jì)效益，而且具有良好的社會效益和生態(tài)效益。

4 結(jié)論

本文基于核能多聯(lián)產(chǎn)熱經(jīng)濟(jì)性模型，針對同一壓水堆核能分別采用熱電聯(lián)產(chǎn)和水電聯(lián)產(chǎn)兩種方式時(shí)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析，探討了壓水堆規(guī)模對核能多聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行模式的影響，主要結(jié)論如下：

(1)對于小型壓水堆ACP100，在核能熱電聯(lián)產(chǎn)和水電聯(lián)產(chǎn)兩種運(yùn)行模式下，供熱和供水單位成本分別為43元/GJ和13元/m3左右，而供電單位成本受熱電比的影響，在0.17～0.43元/kWh范圍內(nèi)波動。

(2)相對于小型反應(yīng)堆，大型堆ACP1000建成單位投資相對降低，因此當(dāng)固定供熱功率為300 MWth和供水量為90 000 m3/d時(shí)，供熱和供水單位成本降低，分別為23元/GJ和8.09元/m3。

(3)當(dāng)考慮到工業(yè)用蒸汽價(jià)格，基于大型堆和小型堆的核能熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)均具有一定的競爭力。針對北方缺水地區(qū)工業(yè)用水需求，基于大型堆的核能水電聯(lián)產(chǎn)與自來水廠供水價(jià)格相比存在潛在優(yōu)勢。