小型堆-生物质综合能源系统运行模式研究

黄 冰，刘鑫屏，邓拓宇

（华北电力大学控制与计算机工程学院，河北 保定 071003）

目前，核能凭借低碳、清洁、规模化的优势成为重要的供热资源，其前景越来越广阔[1]。然而单一的核供热堆其生产的热能只能用来供热，与传统燃煤供热机组相比，经济性较低且负荷调节不灵活。为此越来越多的供热堆，特别是小型模块化核反应堆（small modular reactor，SMR）采用与其他热源[2]进行耦合的方式来提高堆的灵活性、经济性，从而使核能供热与传统燃煤供热相比更具优势。但随之而来的问题是，多能耦合使得整个系统的运行模式复杂、繁多。因此，为综合能源系统在不同供暖阶段找到最佳的运行模式变得尤为重要。

与传统的核供热堆相比，前期投资较小、建造周期短、场地灵活性高且能近距离建设在工厂附近的小型堆[3]更容易与其他热源耦合。近些年来，国内外也不断涌现出对小型堆的研究。美国在20世纪50年代已经开始了SMR的建造，而且越来越多的电力公司开始了对小型堆的设计开发[4]。Norouzy等人[5]针对SMR提出并分析了一种新的四联产设备，能实现在1个由储能设备支持的单一设备中生产水、电、热和化学品；Odmaa等人[6]基于高温气冷堆技术设计了一个小型且具有非能动安全特性的集中供暖反应堆；Bikash等人[7]提出了一个基于SMR的电力和集中供热混合能源（district heating，DH）系统的仿真模型，对比发现DH系统、热能存储和电能存储对SMR灵活运行有潜在好处；紧接着，Bikash等人[8]又开发了小型堆-可再生能源（small modular reactor-renewable energy source，SMR-RES）和DH混合能源系统的最佳运行框架，最优可容纳高达50%的可再生能源。

清华大学核能与新能源技术研究院有不少关于小型堆的研究：谢菲等[9]建立了一个小型堆的分析模型并进行了负荷跟踪以及稳定性的研究；解衡等[10]提出一种新的堆型NHR-200II，该堆安全性、经济性较好，可用于海水淡化、发电、供气以及供暖；郝文涛等[11]研发了小型压水堆NHR-200II，该小型压水堆的安全性、经济性均较高，还能有效应对环境污染和气候变化，其运行可利用率在国际领先，而且该堆可靠近用户建设。

Ioulia等人[12]分析了在风电场大规模部署的情况下，中小型堆和生物质厂耦合的综合能源系统的潜在贡献。其中SMR可以在汽轮机和生物质厂之间切换其热能供应。该系统潜在优势在于：可以实现风电场的负荷平衡，减少发电偏离电力需求；减少化石燃料的燃烧；减少二氧化碳的排放；具有很高的调度能力和灵活性等。针对核能项目经济性不高，非供暖季无法运行的问题，李相通等[13]提出在核供热堆附近建设生物质发电厂。在这个基础之上，核堆产生的蒸汽不仅可以用来供暖还能用来发电，而且在非供暖季也能持续运行。这既解决了经济性问题，还解决了非供暖季停运问题。

本文在小型堆与生物质机组耦合的情况下，经过研究总结得到了该综合能源系统的6种典型运行模式，对这6种运行模式经过初步筛选，为每个供暖阶段选择2种运行模式；根据所得到的每种模式的电负荷范围计算出对应的调峰容量比，根据调峰容量比再进行筛选最终得到每个供暖阶段的最佳运行模式。

1 综合能源系统运行模式

该综合能源系统是小型堆和生物质机组耦合进行供热、供电的热电联产系统。小型堆供热系统拥有2个小型供热堆，根据热负荷需求来选择堆的运行个数；生物质机组有抽凝、背压2种联产模式，低压缸的运行个数可以选择。因此，二者耦合的综合能源系统的运行模式多种多样。

1.1 小型堆供热系统

核能供热一般从二回路抽取蒸汽作为热源来加热热网水，热网水将热量传递给最终用户，其供热系统如图1所示。

由图1可见：在一回路中的工质吸收核反应产生的热量，通过换热器将热量传递给二回路；二回路的水吸收热量后生成高温高压的蒸汽；这些蒸汽同样通过换热器将热量传递到三回路；三回路的水生成过热蒸汽，过热蒸汽中一部分直接送入热网经过多级换热最终到达用户侧；剩余的过热蒸汽可以用于工业供热或者生物质电厂发电。

在此过程中，只有热的交换，不存在液体的直接接触；而且反应堆深埋地下，并配置钢制安全壳来有效屏蔽放射性[14]；二回路作为中间回路形成实体隔离，消除了放射性从一回路泄露的可能。

1.2 生物质热电联产机组运行模式

生物质机组有纯凝、抽凝、背压3种运行模式[15]。纯凝模式只在非供暖季运行，蒸汽只用来发电；在供暖季，可以依靠同步自动换挡离合器（synchroself-shifting，SSS）在抽凝、背压2种模式间进行不停机切换来供热、供电。此外在抽凝模式下，根据热、电负荷需求选择低压缸的运行个数。机组抽凝模式和背压模式的热力系统如图2所示。

1）抽凝模式 从高压缸（HP）抽出一定的蒸汽进入热网来加热热网水。低压缸（LP）排汽通过凝汽器冷凝、凝结水泵升压后，与经过处理的疏水一起送入低压加热器（低加）、除氧器、高压加热器（高加），最后送入锅炉。在此模式下，低压缸流量受到最小冷却流量的限制。

2）背压模式 通过SSS离合器将低压缸解列，高压缸排汽全部进入热网来加热热网水，凝结后的疏水经处理进入低加、除氧器、高加，最后送入锅炉。在此模式下，低压缸解列，机组发电能力降低，但由于送入热网的蒸汽变多从而提升了供热能力。

1.3 综合能源系统运行模式

该综合能源系统由2个小型供热堆和生物质机组构成，即建设小型堆的同时在其周边建立生物质发电厂[16]。该综合能源系统如图3所示。

在供热期，生物质机组可以选择以抽凝模式运行或背压模式运行。在抽凝模式下，低压缸的启停个数能够选择，生物质锅炉运行负荷率在50%~ 100%调整，小型堆的运行个数根据负荷需求选择；在背压模式下，解列低压缸，其他情况与抽凝模式相同。

据图3可知：生物质机组采用抽凝模式时高压缸排汽一部分送入低压缸继续做功，另一部分经换热为热网供暖；小型堆三回路的蒸汽一部分送入低压缸做功，另一部分通过换热为热网供暖。根据热负荷需求，选择不同的模式来调整生物质机组、小型堆的供暖蒸汽流量。

2 热、电负荷计算

2.1 系统设计参数

该综合能源系统有2个额定负荷为200 MW的典型一体化小型供热堆；生物质机组配备2台额定蒸发量为130 t/h的生物质锅炉[17-19]和1台CB125-9.81/0.9/0.118型汽轮机。锅炉、汽轮机、小型堆等主要设备的设计参数见表1、表2。

表1 小型堆主要参数 Tab.1 Main parameters of the small reactor

表2 生物质机组主要参数 Tab.2 Main parameters of the biomass unit

2.2 计算公式

生物质机组总热耗量Qtp计算公式为：

式中：Btp为生物质机组总燃料消耗量，kg/s；Qnet为燃料低位发热量，kJ/kg。

汽轮机高压缸功率Ph计算式为：

式中：Gh为蒸汽流量，kg/s；h1为高压缸进口蒸汽比焓，kJ/kg；h2为高压缸出口蒸汽比焓，kJ/kg；ηe为汽轮机效率，无量纲。

汽轮机低压缸功率P1计算式为：

式中：G1为生物质机组蒸汽流量，kg/s；Ge为核岛发电蒸汽流量，kg/s；hd为低压缸进口处核岛蒸汽比焓，kJ/kg；h3为低压缸出口蒸汽比焓，kJ/kg。

系统供热量Qh计算式为：

式中：Gw为热循环水流量，kg/s；hi为进水比焓，kJ/kg；ho为回水比焓，kJ/kg。

2.3 供热时段热负荷分布

该综合能源系统供热面积约为700万m2，设计供热负荷1 944 GJ/h（540 MW）。相对热负荷Qxd为实际热负荷与设计热负荷之比，其与环境温度[20]的关系表示为：

式中：tn为采暖室内温度，℃；tw为采暖计算温度，℃；t′w为实际环境温度，℃。根据当地情况，tn取18 ℃，tw取−26 ℃。

采集当地供暖季的环境温度，经过分析划分得到13个时段。对环境温度取平均值作为采暖温度，从而得到采暖供热负荷。根据公式(5)计算得到各个时段的热负荷需求见表3。

表3 供暖季不同时间段供热负荷 Tab.3 Heating load in different periods of heating season

3 综合能源系统负荷特性

3.1 系统在不同模式下的负荷特性

对于生物质机组，将2台锅炉看作整体，2台锅炉满负荷运行看作负荷率为100%，1台满负荷运行则看作50%。此外，2台锅炉运行的负荷率要大于1台满负荷运行的负荷率；生物质机组在抽凝模式下低压缸最小冷却流量[21]取110 t/h，当来自核岛的蒸汽大于150 t/h时，需启动2个低压缸。对于小型堆，始终保持满负荷运行。核岛蒸汽在供暖季有2种去处：1）直接为热网供热；2）送入生物质机组的低压缸做功来提供电能。小型堆的运行个数根据负荷需求来确定。

通过以上分析，基于该综合能源系统较为繁多且复杂的运行模式，本文挑选出“双堆+HP”“单堆+HP”“双堆+HP+LP”“单堆+HP+LP”“双堆+HP+LP×2”“单堆+HP+LP×2”6种典型运行模式，针对这6种模式来进行研究对比。

根据本文所罗列的负荷计算公式以及各表格中的参数标准，分析计算该综合能源系统6种运行模式下的热电负荷特性及范围，如图4、表4所示。

由图4可见：

1）对于背压模式，即“双堆+HP”和“单堆+HP”模式，供热负荷与发电负荷呈线性关系，热、电负荷由低到高对应着锅炉负荷率50%~100%的状态；每种状态下热、电负荷已确定，系统无法调节。

2）对于抽凝模式，例如在“双堆+HP+LP”模式下，小型堆满负荷运行，生物质机组采用1个高压缸、1个低压缸，生物质锅炉负荷率在50%~100%变化；AD段对应100%负荷率；BC段对应50%负荷率；AB段，机组蒸汽全部送入低压缸做功，核岛蒸汽有150 t/h送入低压缸，其余用于供热；CD段，核岛蒸汽全部用于供热，机组有110 t/h的蒸汽送入低压缸。“单堆+HP+LP”模式同理。在“双堆+HP+LP×2”模式下，小型堆满负荷运行，生物质机组采用1个高压缸、2个低压缸，生物质锅炉负荷率在50%~100%变化；EH段对应100%负荷率；FG段对应50%负荷率；EF段，机组蒸汽、核岛蒸汽全部送入低压缸做功；GH段，核岛蒸汽全部用于供热，机组有220 t/h的蒸汽送入低压缸做功。“单堆+HP+LP×2”模式同理。

此外，在生物质锅炉负荷一定的条件下，抽凝模式发电负荷随着供热负荷增加而逐渐降低，同时热、电负荷在一定范围内均可灵活调整。

表4 6种模式的热、电负荷范围 单位：MW Tab.4 Thermal and electrical load range of six modes

3.2 综合能源系统机组运行模式选择

结合表4和图4可知，2个小型堆加1个高压缸、2个低压缸运行，供热能力和电负荷调整范围均较大；当只有1个低压缸运行时，无法达到零供热负荷。结合供热期的热负荷需求情况，对系统运行模式首次筛选，情况如下。

1）供暖初末期及系统承担热负荷较低时（0 MW

2）供暖寒冷期，系统承担较高热负荷时（219.70 MW

3）供暖严寒期，系统承担热负荷接近设计值时（361.40 MW

3.3 供暖季综合能源系统调峰能力分析

在供暖季，该综合能源系统虽然主要用途是为热网提供热源，但是该系统能够参与调峰从而可以适当缓解电网调度压力，具有一定的经济性。针对不同时期的供热负荷，通过研究对比来得到每一时期与之相对应的具有最大调峰能力的运行模式，从而再次筛选得到系统的最佳运行模式。

综合“单堆+HP+LP×2”“单堆+HP+LP”“双堆+HP+LP×2”“双堆+HP+LP”“双堆+HP”5种运行模式的热负荷调整范围，其对应的调峰容量见表5。

表5 各供热负荷范围下的调峰容量范围 单位：MW Tab.5 The peak regulation capacity range at different heating loads

根据表5得到的每种运行模式下的热负荷范围以及调峰容量范围，采用调峰容量比Rg来作为评价该系统调峰能力的指标。Rg定义[22]为机组调峰负荷与额定负荷之比：

式中：Pe,max为某供热负荷下该系统最高发电功率，MW；Pe,min为某供热负荷下该系统最低发电功率，MW；Pe,N为系统额定发电功率，取172 MW。

根据表3中每个供暖时间段所需要的供热负荷，经过归类划分以及调峰容量比的计算，为每个阶段安排了最适合的运行模式，结果见表6。由表6可得到供暖季各个时间段下的发电功率范围以及调峰容量比。由表6可知：供暖初末期（10月下、3月下、4月下）热负荷较低，该综合能源系统宜采用1个小型堆满负荷运行和生物质机组汽轮机启用高压缸和1个低压缸的运行模式，该模式下，调峰容量比为23.0%；在次寒期，宜采用2个小型堆满负荷运行和生物质机组汽轮机启用高压缸和2个低压缸的运行模式，调峰容量比分别为25.0%；在严寒期，第1阶段（11月下、12月上）和第3阶段（1月、2月）宜采用2个小型堆满负荷运行和生物质机组汽轮机启用高压缸和1个低压缸的运行模式，调峰容量比均为23.5%，第2阶段（12月中、12月下）宜采用背压模式即2个小型堆满负荷运行和生物质机组汽轮机只开启高压缸，该模式下系统无法调峰。

表6 各阶段最佳运行模式以及调峰容量比 Tab.6 The optimal operation mode and peak capacity ratio at each stage

3.4 综合能源系统经济性分析

小型堆-生物质综合能源系统不仅可以缓解化石能源的消耗[23-24]、减少对环境的污染[25-26]而且具有一定的经济性[27]。

对于2×200 MW供热堆，供热成本约43~86元/GJ。当前市场供暖热价约为35元/GJ，供暖期约为6个月；市场汽价约180元/t，折合热价约80元/GJ，而且供汽可全年运行。可见，仅靠供暖，供热堆根本无法盈利，但是通过与生物质机组耦合进行电、汽、暖联供后，经过整年运行能够盈利。

此外，由图4、表4可得，该综合能源系统在“双堆+HP”模式下运行时具有最大供热工况，最大供热负荷可达540 MW，折算为1 944 GJ/h。市场热价取35元/GJ，将综合能源系统与低压缸零出力改造前的2×350 MW供热机组和低压缸零出力改造后的2×350 MW供热机组进行比较[28]，综合能源系统与经过低压缸零出力改造之后的供热机组有着相近的最大供热蒸汽流量。在各自的最大供热工况下运行时，三者的性能对比见表7。由表7可知：在最大供热工况下该综合能源系统的供热收益比在2×350 MW供热机组的收益更高：比低压 缸零出力改造前的供热机组每天供热收益可增 加39.2万元；比低压缸零出力改造后的供热机组每天供热收益可增加4.9万元。而且该系统在最大供 热工况下，发电可降低至额定负荷的21.7%，比2×350 MW供热机组低压缸零出力改造前、后都要低，发电更加灵活。

表7 最大供热工况条件下性能对比 Tab.7 Performance comparison under the maximum heating condition

由此可见，小型堆-生物质综合能源系统不仅比单一核供热堆更具经济性、灵活性，而且与传统燃煤供热机组相比，在供热收益、调峰灵活性方面也具有一定优势。

4 结 论

1）小型供热堆与生物质机组耦合，因为组合方式的复杂、设备的状态多变，本文针对系统的主要设备进行分析，总结得到6种典型的运行模式进行分析比较。

2）根据每种模式下的热电负荷特性以及计算得到的调峰容量比，为系统筛选出了在3个不同供暖阶段下的最佳运行模式。综合能源系统在最佳模式下运行，能够完全满足热负荷需求而且还能为电网灵活发电。

3）结果表明，与2×350 MW的供热机组相比，小型堆-生物质综合能源系统在最大供热工况下有着较高的最大供热负荷、供热收益以及较高的调峰灵活性。