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(biāo)志著我國首個(gè)工業(yè)用途核能供汽項(xiàng)目——“和氣一號(hào)”項(xiàng)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(jìn)入到工業(yè)供汽領(lǐng)域。

遠(yuǎn)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(jì)、高效、可靠的清潔能源，備受關(guān)注。近些年，我國出臺(tái)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》《2024—2025年節(jié)能降碳行動(dòng)方案》《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》等一系列政策，推動(dòng)核能綜合利用。

作為國家首批“綠色低碳先進(jìn)技術(shù)示范工程項(xiàng)目”，“和氣一號(hào)”為國內(nèi)石化基地能源供應(yīng)的綠色升級(jí)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(xué)反應(yīng)？

綠色：核能“燒開水”，為石化行業(yè)提供零碳蒸汽

“和氣一號(hào)”承載了核電人的美好期許，從項(xiàng)目的命名就能體會(huì)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(cái)。“一號(hào)”則體現(xiàn)了作為全國首家核能供汽項(xiàng)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(yīng)器以及設(shè)備；在原油提煉、化學(xué)品分離過程中，對(duì)物質(zhì)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(gè)必備條件。“田灣核電3、4號(hào)機(jī)組內(nèi)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(hào)’的熱源。”江蘇核電二廠廠長、正高級(jí)工程師張祥貴說，這一步產(chǎn)生的蒸汽能夠驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，這也是核能發(fā)電的原理。若要實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的蒸汽，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的蒸汽再經(jīng)過三回路管網(wǎng)傳送到用汽端。

“和氣一號(hào)”項(xiàng)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(dá)到1.8兆帕、248攝氏度的標(biāo)準(zhǔn)，且要在嚴(yán)格的工藝參數(shù)下進(jìn)行控制，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。張祥貴補(bǔ)充解釋道，“進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)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(jí)換熱’技術(shù)，熱量可更充分地轉(zhuǎn)化為工業(yè)蒸汽，使機(jī)組實(shí)際熱效率得以提高。”

建設(shè)美麗中國，持續(xù)改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，根本在于加快推動(dòng)發(fā)展方式綠色低碳轉(zhuǎn)型。“不同于石化基地傳統(tǒng)燃煤機(jī)組生產(chǎn)蒸汽，‘和氣一號(hào)’將清潔核能升級(jí)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(hào)”的實(shí)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(cè)算，項(xiàng)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(dāng)于每年減少燃燒標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)于新增植樹造林面積2900公頃。同時(shí)，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(biāo)，為地方打造萬億級(jí)石化產(chǎn)業(yè)集群、實(shí)施制造業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。

破局：創(chuàng)新超長距離供熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)核能供汽自主化

“和氣一號(hào)”作為核能供汽的“破局者”，國內(nèi)外都無先例可循，這意味著項(xiàng)目從設(shè)計(jì)建設(shè)之初就要做探路者。

“探索、調(diào)試、磨合幾乎成了家常便飯。”張祥貴表示，在初步設(shè)計(jì)階段審查技術(shù)規(guī)格書、圖紙、專篇等設(shè)計(jì)文件150余份，提出設(shè)計(jì)審查意見1000余條。而在運(yùn)行機(jī)組方面，兩臺(tái)機(jī)組雖已實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)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(jí)核電機(jī)組的常規(guī)島。不過，令他印象深刻的還是蒸汽調(diào)試。

在蒸汽輸送之初，蒸汽參數(shù)不達(dá)標(biāo)問題曾讓研發(fā)人員犯愁。“現(xiàn)在看來，只需調(diào)整蒸汽發(fā)生器參數(shù)和液位就能解決的問題，當(dāng)時(shí)‘困’了大家好幾個(gè)月。唯有逐個(gè)設(shè)備調(diào)整試驗(yàn)，嘗試尋找‘癥結(jié)’所在。”張祥貴說，縱有千難萬阻，好在“和氣一號(hào)”最終“闖關(guān)”成功，為核能綜合利用技術(shù)國產(chǎn)化提供了樣本，進(jìn)行了開創(chuàng)性實(shí)踐。

在田灣核電站內(nèi)，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(shè)計(jì)為0.92米，是國內(nèi)第一條超大口徑、超長距離核能供熱蒸汽管網(wǎng)。

“和氣一號(hào)”項(xiàng)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(hào)”為此下足了功夫。據(jù)了解，在“控溫”方面，該項(xiàng)目創(chuàng)新性采用了國內(nèi)單套容量最大的雙側(cè)相變式蒸汽轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)冷熱介質(zhì)的逆向?qū)α鞲咝Q熱，確保出口蒸汽溫度控制在260攝氏度左右。在“保溫”防護(hù)上，管網(wǎng)材質(zhì)方面也格外考究，采用了預(yù)制架空保溫管，并以三重復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)技術(shù)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(zhì)制成的高溫層。經(jīng)測(cè)試，“重重包裹”下的蒸汽可實(shí)現(xiàn)每公里溫度下降不超過1攝氏度。同時(shí)，管網(wǎng)每隔一公里就設(shè)置溫度、壓力測(cè)點(diǎn)，精確感知管網(wǎng)輸送介質(zhì)情況。

在一般情況下，當(dāng)正常室溫遇到高溫蒸汽，管網(wǎng)內(nèi)外的巨大溫差會(huì)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(duì)管網(wǎng)輸送的影響，我們每隔一段距離就在管道加設(shè)‘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(zhǔn)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(nèi)部，還有不少技術(shù)和設(shè)計(jì)創(chuàng)新，為源源不斷地供汽送汽保駕護(hù)航。

“和氣一號(hào)”設(shè)置了4套蒸汽轉(zhuǎn)換裝置，每套裝置包括一臺(tái)一級(jí)預(yù)熱、一臺(tái)二級(jí)預(yù)熱、一臺(tái)蒸發(fā)器和一臺(tái)過熱器，蒸汽的“多級(jí)換熱”就是在其中完成的。“不同于核能生電，這套設(shè)備要在蒸發(fā)器兩側(cè)同時(shí)完成‘水-汽’和‘汽-水’兩種介質(zhì)的轉(zhuǎn)換，這是該項(xiàng)目的難點(diǎn)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(shè)計(jì)理念，創(chuàng)新性地將管內(nèi)凝結(jié)和管內(nèi)過冷兩組管束設(shè)置在同一蒸發(fā)器殼體內(nèi)，讓管側(cè)（汽變水）和殼式（水變汽）的介質(zhì)均發(fā)生相變傳熱。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)設(shè)備體積小，能夠節(jié)約占地空間。

此外，“和氣一號(hào)”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(jī)熱匹配技術(shù)。該項(xiàng)目配套的海水淡化項(xiàng)目是目前江蘇省內(nèi)最大，也是中國核電領(lǐng)域最大項(xiàng)目。據(jù)了解，項(xiàng)目平時(shí)采用海水直接淡化，冬季則可以利用3、4號(hào)機(jī)組海水排水隧道內(nèi)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(shè)置多重安全屏障，確保穩(wěn)定高效運(yùn)行

“和氣一號(hào)”以綠色安全、穩(wěn)定高效作為項(xiàng)目定位。核電、石化對(duì)安全要求極高，對(duì)于大家所關(guān)心的核能供汽安全問題，張祥貴細(xì)述了項(xiàng)目的幾道安全屏障。

“和氣一號(hào)”能源站中控室。江蘇核電 供圖

首先，通過多重隔絕技術(shù)，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(dú)立運(yùn)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(zhì)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(shè)輻射監(jiān)測(cè)儀表和快關(guān)閥。“和氣一號(hào)”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(cè)儀表，當(dāng)儀表出現(xiàn)異常超過臨界值時(shí)，快關(guān)閥可在5秒內(nèi)快速關(guān)閉，來自3、4號(hào)機(jī)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(huì)流向用汽端。

“根據(jù)調(diào)試測(cè)算的閥門關(guān)閉時(shí)間，我們?yōu)槠辞谐葮O端情況的發(fā)生制定應(yīng)急預(yù)案。”張祥貴介紹，他們每年還要對(duì)相關(guān)操作人員開展至少80學(xué)時(shí)的復(fù)訓(xùn)和模擬演練，定期進(jìn)行考核。

保障了綠色、安全，核能供汽穩(wěn)定高效的優(yōu)勢(shì)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(jià)格波動(dòng)明顯，供應(yīng)穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。在業(yè)內(nèi)人士看來，核能綜合利用與高耗能行業(yè)耦合發(fā)展將進(jìn)一步凸顯核能的零碳價(jià)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(shí)現(xiàn)核電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行18個(gè)月不中斷，為石化行業(yè)提供穩(wěn)定的蒸汽供應(yīng)。“在設(shè)計(jì)上，我們對(duì)3、4號(hào)機(jī)組的加熱汽源進(jìn)行調(diào)整，采用單機(jī)組供汽或兩臺(tái)機(jī)組聯(lián)合供汽兩種方式。如此一來，即使是遇到機(jī)組換料大修，也能實(shí)現(xiàn)每小時(shí)600噸額定負(fù)荷無擾切換連續(xù)供汽，從而保證每年8000小時(shí)蒸汽連續(xù)供應(yīng)。”張祥貴說。

“和氣一號(hào)”不僅拓展了核能的應(yīng)用場景，為核能工業(yè)供汽提供了成功經(jīng)驗(yàn)，也推動(dòng)了核能綜合利用和多元發(fā)展的探索。據(jù)了解，當(dāng)前江蘇還在探索海上光伏、工業(yè)制氫、抽水蓄能等項(xiàng)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。