压水堆核能热电水多联产运行模式的经济性分析

陈 聪，曾 畅，宋丹戎，罗 彦，卢 涛，王 月

(1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041；2.北京化工大学机电工程学院，北京 100029；3.中国成达工程有限公司，四川 成都 610000)

0 概述

随着核能技术的发展，核能作为清洁、稳定、高效的能源形式除了发电外，核能取代常规能源用于区域供热、海水淡化、热化学制氢等多种应用已经具有一定的可行性[1-2]，其经济性已成为各国研究的焦点。作为模块化设计的小堆也试图与大堆形成互补的格局，其市场价值和战略意义得到了较为广泛的社会认同，具有较大的潜在市场前景[3]。

目前一些学者已针对核能热电联产和水电联产系统的经济性开展了分析[4-11]。Jaskólski等[4]针对AP1000反应堆热电联产经济性进行计算，得到供热成本为11.8 GJ。王永福和孙玉良[5]对比了高温气冷堆和燃气机组热电联产经济性，结果表明高温气冷堆热电联产上网电价低于燃气热电联产上网电价，具备替代燃气机组进行热电联产的潜力。辛国柏等[6]提出将小型堆热电联产应用到化工园区中，其经济性相比燃气热电联产有优势。Ghazaie等[7]利用DEEP软件对多种核能水电联产系统经济性展开讨论，发现将气冷堆和多效蒸馏技术进行联合供水成本最低，为0.711 $/m3。Sadeghi等[8-9]则提出多种核电站与海水淡化厂耦合的方式，得出当采用核电站冷凝器排出的热水作为海水淡化的给水时供水成本最低。Khan等[10]将SMART小型模块化反应堆与反渗透法海水淡化装置进行联合，得到该热电联产系统供电成本和供水成本分别为0.067 4 $/kWh和0.81 $/m3。李锦等[11]利用夜间低谷时期富余核电进行反渗透法海水淡化，探究了不同运行方式对1 000 MWe压水堆水电联产经济性和调峰能力的影响，得到“反渗透海水淡化厂白天半负荷运行、夜间满负荷运行时”最佳运行方式下，水电联产系统供水成本及调峰成本相对较低。通过以上文献调研可知，目前较少学者对比分析同一反应堆热电联产和水电联产的经济性以及反应堆规模对核能多联产系统经济性的影响。

本文分别以ACP100和ACP1000反应堆作为研究对象，基于压水堆核能多联产热经济性模型，探讨压水堆核能热电联产和水电联产两种运行模型下的热经济性，为核能多联产可行性分析提供参考。

1 核能多联产热经济性模型

1.1 压水堆相关参数

目前，核反应堆规模是总投资成本重要的影响因素，以小型堆ACP100和大型堆ACP1000作为对象，表1列出了两种压水堆型相关技术和财务参数。从表中可以看出，模块化小型压水堆ACP100建成单位投资较高，预计约为38 000元/kW，而大型压水堆ACP1000建成单位投资预计约为16 000元/kW*。

表1 两种堆型反应堆技术和财务参数

1.2 热电/水电联产热经济性模型

核能热电联产供热单位成本和供电单位成本按照热量法进行计算[12-13]，主要由分摊比来确定，表示为

(1)

αe=1-αh

(2)

式中αh和αe——供热分摊比和供电分摊比;

Qtp和Qtp(h)——总燃料热量和供热所消耗的燃料热量;

D0和Dh——总耗汽量和供热抽汽量;

h0、hh、h′h和hfw——主蒸汽比焓、汽轮机抽汽比焓、回水比焓和给水比焓。

供热单位成本Ch计算公式可表示为

(3)

式中Gt——核能热电联产系统年度总成本支出(包括投资成本、运维成本、燃料成本以及退役成本)[14];

Mt——年度运维成本;

Ft——年度燃料成本;

Ht——年度退役基金和核处理费成本;

Bt——年度供热量。

供电单位成本Ce计算公式为

(4)

式中Et——年度发电量。

核能水电联产的供热单位成本和供电单位成本，其相关计算方法同核能热电联产一致。对于海水淡化厂供水成本，需考虑海水淡化工程建设成本、药剂成本、工资福利、维修管理费用及耗电/热成本等。表2给出黄岛电厂3 000 m3/h低温多效蒸馏海水淡化装置相关技术和财务参数[15]。供水单位成本Cw计算公式为

表2 低温多效蒸馏相关技术和财务参数

(5)

式中At——年度供水量;

Nt——海水淡化厂年度总成本(除耗电/热成本);

B′t——海水淡化厂年度耗热量;

E′t——海水淡化厂年度耗电量。

2 压水堆核能热电联产经济性

2.1 小型压水堆核能热电联产经济性分析

以小型压水堆ACP100为例，对其热电联产经济性进行分析。该反应堆热功率为385 MWth，主蒸汽参数为P0=4.3 MPa，t0=292 ℃，h0=2 927 kJ/kg。考虑汽轮机抽汽用于供热，抽汽参数为Ph=0.45 MPa，th=148 ℃，hh=2743 kJ/kg，回水比焓h′h=335 kJ/kg。实际排汽压力Pc=0.004 MPa，排气比焓hc=1 870 kJ/kg，凝结水比焓h′c=119 kJ/kg。

为研究热电比(热电机组实际对外供热量与机组上网电量的比值)对核能热电联产经济性的影响，针对热电比分别为0、3、6、9、12等参数条件下进行计算分析，其结果如表3所示。由于采用热电联产，整个电厂的热电联供能量利用总效率(热电总功率与反应堆热功率的比值)大幅提高，当热电比由0增加至12时，电厂热电联供能量利用总效率由32.5%提高到84.8%。供电单位成本从0.43元/kWh降低到0.18元/kWh，可见热电联产有利于降低核电站发电成本。对于供热单位成本，其单位成本基本不变，为43元/GJ。

2.2 压水堆规模对核能热电联产经济性的影响分析

为研究反应堆规模对热电联产经济性的影响，假定小型堆ACP100和大型堆ACP1000均用于热电联产，提供给热用户的供热功率均为300 MWth，对其热电联产经济性进行对比分析。ACP1000反应堆热功率为3 050 MWth，主蒸汽参数为P0=6.5 MPa，t0=280.9 ℃，h0=2 776 kJ/kg。

表4给出了这两种堆型反应堆热电联产计算结果。从表4中可以看出，当提供给热用户的供热功率固定为300 MWth时，ACP100和ACP1000这两种核反应堆的供热单位成本分别为43元/GJ和23元/GJ，主要原因在于对于小型堆而言，其建成单位投资成本远大于大堆。而对于供电单位成本，尽管建成单位投资成本远大于大型堆，但由于小型堆的热电比较大，导致热电联供能量利用总效率较高，从而使得小型堆的供电单位成本和大型堆差别不太大，分别为0.19元/kWh和0.2元/kWh。

2.3 压水堆核能热电联产供热成本和市场供热价格对比

目前全国供热蒸汽价格大体相同，以青岛为例，居民供热价格为42.29元/GJ，工业用蒸汽价格为69.72元/GJ。基于先前计算数据，得到当提供给热用户的供热功率固定为300 MWth时，ACP100和ACP1000这两种堆型的供热单位成本(暂不考虑三回路)分别43元/GJ和23元/GJ，数量级相当。因此，针对工业用蒸汽，不论是大堆还是小堆，核能热电联产与市场供热价格相比均具有一定的竞争力，而且核反应堆运行不依赖于化石燃料，没有CO2、SO2等气体排放问题，环境效应显著。

3 压水堆核能水电联产经济性

3.1 小型压水堆核能水电联产经济性分析

基于低温多效蒸馏海水淡化工艺，分析不同热电比对小型堆ACP100水电联产经济性的影响，研究结果见表5。

表5 不同热电比下的核能水电联产经济性计算结果

从表5中可以看到，随着热电比从0增加到12，核电站供热量增加，因此核电站供电功率从125 MWe降低至24.4 MWe，供热功率从0 MWth增加到292.8 MWth，相应的水电联供能量利用总效率从32.5%增加到84.8%，最终得到海水淡化厂供水量从0增加至92 567 m3/d。随着热电比的增加，海水淡化厂供水耗电单位成本从0.68元/m3降低至0.34元/m3，供水耗热单位成本基本保持在10元/m3左右。综合海水淡化厂其他的供水单位成本，得到不同热电比下的核能水电联产供水总单位成本约为13元/m3左右。另外，从总供水单位成本占比来看，供水耗热单位成本远远高于其他成本。

3.2 压水堆规模对核能水电联产经济性的影响分析

为研究反应堆规模对水电联产经济性的影响，假定ACP100和ACP1000两种核反应堆用于水电联产，相应的海水淡化厂供水量均为90 000 m3/d，对其水电联产经济性进行对比分析。

表6给出了这两种功率反应堆热电联产计算结果。研究结果表明，当海水淡化厂供水量固定为90 000 m3/d时，ACP100和ACP1000这两种核反应堆水电联产所得到的总供水单位成本分别为12.44元/m3和8.09元/m3，其主要原因为，对于小型堆而言，其建成单位投资成本高于大型堆。

表6 两种堆型反应堆水电联产经济性计算结果

3.3 压水堆核能水电联产供水成本和自来水厂水价对比

受淡水资源禀赋特征的影响，我国国内各地居民自来水价偏差较大，南方雨水丰沛地区，水价偏低，在2～3元/m3之间，北方缺水地区，多为3～5元/m3，北京、天津等严重缺水地区，居民水价高达4元/m3。而对于工业水价，南方基本在2～3元/m3之间，北方大部分地区3～4元/m3，而北京天津工业水价可高达7～8元/m3[16]。综合上述研究结果，可以知道若采用大型堆和低温多效蒸馏工艺进行水电联产，水价为8元/m3左右。随着核能水电联产技术进步和经营水平提升，水价仍有进一步下降的空间。因此针对北方缺水地区工业用水需求，核能水电联产与自来水厂供水价格相比具有一定的竞争力。核能海水淡化以海水作为取水源，是对现有淡水资源的有益增补，不与民生和生态争水，不仅具有潜在的经济效益，而且具有良好的社会效益和生态效益。

4 结论

本文基于核能多联产热经济性模型，针对同一压水堆核能分别采用热电联产和水电联产两种方式时的经济性进行对比分析，探讨了压水堆规模对核能多联产运行模式的影响，主要结论如下：

(1)对于小型压水堆ACP100，在核能热电联产和水电联产两种运行模式下，供热和供水单位成本分别为43元/GJ和13元/m3左右，而供电单位成本受热电比的影响，在0.17～0.43元/kWh范围内波动。

(2)相对于小型反应堆，大型堆ACP1000建成单位投资相对降低，因此当固定供热功率为300 MWth和供水量为90 000 m3/d时，供热和供水单位成本降低，分别为23元/GJ和8.09元/m3。

(3)当考虑到工业用蒸汽价格，基于大型堆和小型堆的核能热电联产技术均具有一定的竞争力。针对北方缺水地区工业用水需求，基于大型堆的核能水电联产与自来水厂供水价格相比存在潜在优势。