核能燃气蒸汽联合循环系统

 　　今年全国多地出现严重的雾霾天气，根本原因是区域范围内污染排放总量大大超过了大气自然的净化能力。近十年来我国煤炭消耗大幅度增长，2000年还只有15.2亿吨，可是2011年已经增长到34.8亿吨。已接近世界其他所有国家消耗量的总和，也就是说，世界一半的煤炭污染物集中在我国人口密集地区，这正是造成环境灾害的主要原因。立即减少污染源，削减大气污染物才是解决雾霾的根本之道。

　　煤炭消费的大户是发电，虽然我国人均消耗的电力水平不高，与发达国家相比还有很大差距，电力工业还处于旺盛的发展阶段，但以煤为主的能源结构遇到了空前的挑战。不仅如此，目前有些污染治理措施，还需要更多地依靠电力，譬如，北方冬季采暖能否“煤改电”，汽车能否增加“电驱动”，作为现代工业基础的电力工业，向清洁能源转变应该是科技攻关任务的重中之重。

　　在现有降低煤炭消费措施中又存在许多瓶颈，限制了发展速度。例如，采用燃气蒸汽联合循环是目前世界电力工业发展的一个趋势，它能高效率的利用燃料，是一种清洁能源，有利于保护环境。不过我国天然气资源有限，虽然可以进口，但燃料价格和发电成本很高，限制了它的大规模发展。核能是减少温室气体排放和治理环境污染的清洁能源，但由于发生事故的后果严重，新一代高安全性的反应堆研制进展缓慢，也不能有力地支持电力工业的发展。风电作为一种可再生能源，装机容量发展很快，由于受到电网调峰能力的限制，有时还要“弃风”，不能充分发挥作用。

　　针对这些能源技术上的优势以及存在的限制因素，本文在现有成熟技术基础上，提出一种对清洁能源扬长避短的组合利用技术方案，简称“双燃料清洁能源大型发电站”。

　　燃气蒸汽联合循环

　　大容量高效率的燃气轮机及其联合循环是世界电力工业发展的一个趋势，它既能节省日趋紧张的能源资源，又有利于保护环境。燃气轮机的优点是效率高、排污指标低、建设周期短、占地和用水量少、启动灵活、自动化程度高等。

　　目前简单循环燃气轮机的功率已超过280 MW，净效率达到40%；联合循环的单机功率超过390 MW，净效率达到60%，而较先进的超超临界燃煤机组的热效率仅仅为45%左右。因此，随着天然气资源的广泛开发和应用，燃气轮机及其联合循环机组已成为世界上电力工业的主力机型。

　　我国主要因为天然气资源条件和燃料价格偏高的限制，发展受到制约。过去一直把燃气轮机定位为备用电源或调峰机组。近来随着国家西气东输、东海油气和进口液化天然气等项目的进展，已经准备快速提升天然气工业的开发速度。但是，面对数量庞大的燃煤机组的替换任务，燃气蒸汽联合循环发电的高成本也是难于逾越的障碍。

　　先进的核能技术：高温气冷堆

　　我国大型核电站建设已经取得重大进展，目前在役机组15台，在建机组26台。主要堆型是压水堆，其中最先进的AP1000 MW和EPR1700 MW的第三代压水堆，不久也将在我国建成投产。由于国际上发生核事故的影响，核电采取稳步有序和慎重的推进速度。而且国家核电发展规划要求，新建核电机组必须符合三代安全标准，提高了准入门槛。

　　核电还是一项较新的工程技术，目前压水堆向大型化高投资方向的发展空间已经受到限制，因此近来向小型化固有安全的方向提出了很多研究设计方案。国家规划也要求，要用最先进的成熟技术，持续开展在役在建核电机组安全改造，不断提升我国核电机组的安全性能。因此，如果能够在自主研发和技术创新方面，获得技术先进性和成熟性的实质性进展，我国就可能在核能利用上打开新局面。

　　高温气冷堆就是核电的先进技术，它的先进性表现在可以输出800℃到1000℃的高温热能，模块化设计获得了第四代核电才具有的固有安全性，使它可以避免发生严重的堆芯熔化事故。但近来研究又发现一些影响安全运行的问题，这些问题必需排除，才能达到设计成熟水平。

　　高温气冷堆存在的问题　高温气冷堆在几十年研究中，一直存在两种堆型，即柱状燃料堆和球形燃料堆，两种堆型各自存在本身特有的问题。简单地说，柱状燃料堆由于燃料块体积大，加工制造和辐照考验困难，在堆内的辐照变形出现间隙和振动问题也难以解决，目前还处于建造大型实验堆的前期。不过它的模块化设计性能，如单堆功率、输出温度和热电转换效率都好于球形燃料堆。

　　球形燃料堆近来的研究，发现了一些不容忽视的影响安全运行的问题。例如，在过去德国球床实验堆AVR上，曾发现吸附裂变产物的石墨粉尘达50-60kg之多。如果当时发生氦气泄漏事故，很可能造成放射性外泄，甚至发生高温石墨粉遇到空气爆燃或火灾等事故。大量石墨粉不仅使反应堆退役遇到困难，而且现有安全壳设计也不能满足安全要求。主要原因是运行过程中，所有燃料球都在不停的旋转和移动，因此产生大量石墨粉。

　　另外，高温下燃料球移动规律不可能在常温实验条件下获得，高温移动特性不十分清楚，很可能在某些边角处有结晶化倾向，造成移动速度过慢，引发超燃耗限值，并产生不应有的放射性释放。燃料球移动又导致轴向功率分布严重不均，使平均功率降低一倍以上。总之，吸取过去实验堆教训，不用燃料球不停滚动的设计，像大多数其它各类反应堆那样定期换料，将不会出现球床堆的这些严重问题。

　　高温气冷堆的改进　南非在大量资金支持下，在德国技术基础上完成了球床高温气冷堆（PBMR）电功率165 MW的工程设计，并与美国、法国等公司合作准备投入建造，可是在上述问题面前，于2年前停止了该项工程。但是，在挑战面前存在机遇，上述球形燃料堆存在的问题在柱状燃料堆上，并不存在。而柱状堆的问题，在球床堆上也不存在。利用两种实验堆经验，去劣存优就出现了一种基于两类堆型而高于两类堆型的高温气冷堆成熟技术，即规则床模块式高温气冷堆。

　　规则床模块式高温气冷堆的燃料是球形元件，堆积到堆芯就形成“结晶式”的固定结构，同柱状堆一样成为规则的堆芯外形，实现定期换料。运行中燃料球没有移动，就排除了球床堆的上述所有问题，同样也没有柱状堆的上述问题。它的设计性能，如单堆功率、输出温度和热电转换效率都接近和高于柱状燃料堆，设计后的断面图形很像柱状堆。如果采用高温气冷堆较小的压力壳，以及配套的风机等设备，堆芯直径3 m，堆芯高8m，在现有安全限值下，热功率就可以达到400 MW。

　　核能与燃气机组的结合

　　规则床模块式高温气冷堆是在柱状实验堆和球床实验堆多年实验运行的基础上，排除各自在实验中发现的问题而设计出的新堆型，是设计成熟的高温堆，可以通过原型堆示范建造来验证它的性能。

　　高温气冷堆的热电转换以前有两种方式，一种是将冷却堆芯的氦气，直接进入氦气轮机发电。这种直接氦气布雷顿循环，柱状堆转换效率可以达到47％，球床堆可以达到42％左右。不过氦气轮机发电技术先进但不成熟，尚处于小规模示范研究阶段。另一种是高温氦气经过热交换，与高参数蒸汽轮机配合，也能达到42％以上的热电转换效率。由于蒸汽压力高于氦回路压力，需要注意防止水蒸汽漏入氦回路的可能。

　　现在我们提出的能量转换方式是高温气冷堆与燃气蒸汽联合循环机组配合，技术成熟而且具有一系列优异性能。天然气燃气蒸汽联合循环是国际上商用成熟技术，已经具有一定规模的使用经验。这两项技术的结合，在工程上是可以实现的。

　　在核能与联合循环的工艺流程中，空气被压缩以后首先由核能加热，即通过氦气与压缩空气热交换，被加热至800℃（以后可能提高至950℃）后，再进入天然气燃烧室及燃气蒸汽联合循环系统。高温气冷堆与联合循环之间由气气换热器连接，该换热器有人建议选用微流道板式换热器，可能是一种较好的选择。联合循环的流量和压比等设计参数需要考虑与核能联合的新特点，其中压缩机最好有中间冷却，获得压比高和温度低的参数，将更有利于核能的应用。

　　（作者系清华大学教授）