李小斌，張紅娜，曲凱陽，李鳳臣*

（1.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c實驗室，天津300350；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京100013）

0 引言

大力推廣綠色低碳能源是我國的能源發(fā)展戰(zhàn)略。目前，我國城市集中供暖系統(tǒng)是燃煤大戶，也是空氣污染的主要來源之一，因此，在城市集中供熱系統(tǒng)中推廣應(yīng)用綠色低碳能源是解決空氣污染問題的重要舉措。隨著核反應(yīng)堆安全技術(shù)的發(fā)展，核能作為清潔、高效的新能源，在集中供熱方面的應(yīng)用具有獨特的優(yōu)越性，成熟的核供熱反應(yīng)堆技術(shù)應(yīng)用潛力巨大。

本文從發(fā)展核能集中供熱系統(tǒng)的必要性、核供熱堆的安全性、核能供熱的經(jīng)濟(jì)性和社會價值以及與其他技術(shù)相結(jié)合進(jìn)一步提升核能集中供熱系統(tǒng)性能的可能性等方面，綜合分析核能集中供熱系統(tǒng)的優(yōu)越性，旨在為核能集中供熱技術(shù)在我國的推廣提供支持。

1 發(fā)展核能集中供熱系統(tǒng)的必要性

1.1 低效率燃煤鍋爐是空氣污染的重要源頭

據(jù)2019 年世界衛(wèi)生組織（WHO）報告［1］，已知的環(huán)境風(fēng)險每年造成至少1 260 萬人死亡，空氣污染（包括環(huán)境空氣污染和家居空氣污染）導(dǎo)致約700 萬人死亡，居全球健康風(fēng)險之首。其中環(huán)境空氣污染導(dǎo)致約420 萬人死亡，占空氣污染導(dǎo)致死亡總數(shù)的60%。

空氣污染主要是由燃料和廢物燃燒、工業(yè)活動及自然粉塵所引起的，產(chǎn)生的污染物包括細(xì)顆粒物（如粒徑分別小于2.5 μm 及10.0 μm 的PM2.5，PM10）及有害氣體（如氮氧化物NOx、二氧化硫SO2等），氣象條件不好時會形成嚴(yán)重的霧霾［2］，主要誘發(fā)心血管及呼吸系統(tǒng)疾病，至今已經(jīng)廣泛傳播并影響了幾乎全球所有國家，我國尤其是北方地區(qū)連年遭受霧霾的危害。

2019 年中國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《中國空氣質(zhì)量改善報告（2013—2018 年）》，首次披露了空氣污染與健康的關(guān)聯(lián)性。多年的環(huán)境監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，局地PM2.5質(zhì)量濃度下降了13%，呼吸系統(tǒng)疾病病例減少了25%。中國生態(tài)環(huán)境公報指出［3］：2018 年，全國338個地級及以上城市中，217 個城市環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)，占64.2%；其中，以PM2.5為首要污染物的天數(shù)占重度及以上污染天數(shù)的60.0%，以PM10為首要污染物的占37.2%，以O(shè)3為首要污染物的占3.6%；PM2.5和PM10年平均質(zhì)量濃度分別為41.0，78.0 μg/m3。第三方組織（AirVisual）統(tǒng)計的中國年平均PM2.5質(zhì)量濃度2018年為41.2 μg/m3，2019年為39.1 μg/m3，是WHO 推薦的PM2.5質(zhì)量濃度的4 倍，位列全球空氣污染指數(shù)第12 名［4-5］。東亞和東南亞國家是受空氣污染影響最為嚴(yán)重的地方，尤以孟加拉國和印度為最。據(jù)中國生態(tài)環(huán)境部統(tǒng)計［3］，2018 年中國一次能源生產(chǎn)總量同比增長5.0%，其中原煤增長4.5%，火電產(chǎn)品增長6.7%。在采取了極為嚴(yán)厲的節(jié)能減排措施之后，中國仍然面臨嚴(yán)峻的空氣污染態(tài)勢。第三方（Health Effects Institute）研究報告［6］指出，中國工業(yè)燃煤、電廠燃煤及居民燃煤的總和成為空氣污染的最大源頭，貢獻(xiàn)了超40%的人均環(huán)境PM2.5質(zhì)量濃度，其余的來源為交通運輸、生物質(zhì)燃燒、非煤工業(yè)生產(chǎn)及露天燃燒。相應(yīng)的，低效率燃煤鍋爐，尤其是小型燃煤鍋爐便成了空氣污染的最主要原因［2，7-8］。

減少空氣污染的措施中，節(jié)能減排仍是最重要的手段。在節(jié)約能源方面，采用高能效解決方案，從化石燃料燃燒向能源生產(chǎn)轉(zhuǎn)型；在削減排放方面，要規(guī)范工業(yè)生產(chǎn)及化石能源發(fā)電中的廢氣排放。

1.2 發(fā)展利用清潔能源的集中供熱系統(tǒng)的必要性

國民生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，要求更加高效且清潔的能源供應(yīng)，以求在保證能源正常供給的前提下能更好地保護(hù)環(huán)境空氣質(zhì)量，減少霧霾的產(chǎn)生。然而，由前述統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，傳統(tǒng)的節(jié)能減排方式雖然已經(jīng)取得了明顯的空氣質(zhì)量改善效果，但其潛力即將接近極限，且一次能源生產(chǎn)量仍在增長，節(jié)能減排壓力倍增。2015 年中國在巴黎氣候變化大會上承諾，將于2030 年左右使CO2排放達(dá)到峰值并爭取盡早實現(xiàn)，2030 年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的CO2排放比2005 年下降60%～65%，非化石能源占一次能源消費比重達(dá)到20%左右。在此框架下，構(gòu)建低碳能源體系、形成節(jié)能低碳的產(chǎn)業(yè)體系成為積極的能源消費主張，并明確要大力發(fā)展清潔能源，安全高效地發(fā)展核電［9］。

作為煤炭消耗的重要方式和空氣污染的主要來源之一，我國北方各省冬季取暖導(dǎo)致的環(huán)境空氣污染問題依舊十分嚴(yán)峻。我國北方地區(qū)面積約占全國面積的20%，2018 年總?cè)丝诩s6.02 億，占全國總?cè)丝诘?3%。我國采暖涉及17個省、市、自治區(qū)、直轄市，占國土面積的60%以上，采暖人口達(dá)7.00億以上。國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示［10］，2018 年全國城市集中供熱面積達(dá)87.80 億m2，同比增加4.71 億m2，增幅為5.7%，預(yù)計2020 年城市集中供熱面積可達(dá)98.00 億m2。

我國城市已普遍采用集中供熱系統(tǒng)，采暖熱源以熱電聯(lián)產(chǎn)和區(qū)域鍋爐為主，而采暖能源仍以煤炭為主，每年消耗煤炭超過5 億t。東北地區(qū)供暖時間長、供暖單元分散，華北地區(qū)工業(yè)、人口、城市建筑面積快速增加，部分南方城市也已進(jìn)入實施集中采暖城市之列，因此，工業(yè)及采暖煤炭消耗量劇增。集中采暖是關(guān)系到國計民生的大事，而霧霾已成為影響人民生活的罪魁禍?zhǔn)祝瑢ふ倚滦颓鍧嵞茉创嫒济翰膳仍诿冀蕖?013 年，國務(wù)院首次印發(fā)了《大氣污染防治行動計劃》（即《大氣十條》）［11］，并將實施效能納入了之后的年度考核?！洞髿馐畻l》提出，要全面整治燃煤小鍋爐，加快淘汰落后產(chǎn)能，培育壯大節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)，同時加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，增加清潔能源供應(yīng)。

面對城市熱網(wǎng)對熱源的旺盛需求與國家節(jié)能減排嚴(yán)格要求的矛盾，用清潔能源代替燃煤，即可實現(xiàn)熱源量的“增”和排放量的“減”，不僅對空氣質(zhì)量改善目標(biāo)的如期實現(xiàn)具有重大意義，也對發(fā)展利用清潔能源、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)具有重要的促進(jìn)作用。

1.3 核能是高效清潔能源

核能是一種高效的清潔能源，一座功率為1 000 MW 的核電站每年僅需要30 t 核燃料，運行1年卸出的乏燃料約25 t，經(jīng)過后處理的廢物量減至10 t 左右。而同功率的燃煤電站每年需燃煤約300萬t，釋 放CO2約700.0 萬t、SO2約1.7 萬t、NOx約600.0 t［12］。

核能是保證國家安全的重要支柱之一，已成為替代一次能源的重要選項。經(jīng)過三四十年的發(fā)展，核能發(fā)電在技術(shù)成熟性、可持續(xù)性及經(jīng)濟(jì)性方面具有明顯的優(yōu)勢，且固有安全性已得到極大保障。據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)［13］：2018 年中國核電產(chǎn)品產(chǎn)量（核能發(fā)電量）為2 943.6 億kW·h，比2017 年增加了18.7%；2019 年核能發(fā)電量為3 483.5 億kW·h，比2018年增加了18.3%，且2019年當(dāng)年月平均累計增長均大于20.0%。

我國能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃中明確指出［14］：要安全高效發(fā)展核電，建設(shè)一批先進(jìn)三代壓水堆核電項目，并適時啟動智能小型堆、商業(yè)快堆、600 MW級高溫氣冷堆等自主創(chuàng)新示范項目，推進(jìn)核能綜合利用；力爭在2020 年年底運行核電裝機(jī)容量達(dá)到58 GW，在建核電裝機(jī)容量達(dá)到30 GW 以上。除了高效發(fā)電，制氫、海水淡化、供熱供冷及化工工藝?yán)玫榷紝儆诤四芫C合利用的范疇［15-16］，如圖1 所示。在“十四五”期間（2021—2025 年），建成“清潔低碳、安全高效”的能源體系將成為長期目標(biāo)，安全高效發(fā)展核電依然是重要內(nèi)容。

圖1 核能綜合利用示意Fig.1 Flow of nuclear energy comprehensive utilization

能源技術(shù)革命的實質(zhì)是能源轉(zhuǎn)換革命，其目標(biāo)是對能源的有效駕馭和高效轉(zhuǎn)換。針對“清潔”這個命題，核能利用產(chǎn)生的顆粒物排放低于任何化石燃料，甚至低于風(fēng)能，極大地減小了對霧霾天氣成因的貢獻(xiàn)。而在CO2排放方面，核能發(fā)電期間并不產(chǎn)生溫室氣體，核反應(yīng)堆建造過程中的溫室氣體排放也遠(yuǎn)低于化石燃料，其排放水平與可再生能源相當(dāng)（如圖2 所示）。以加拿大安大略省為例，2000 年核能利用占能源結(jié)構(gòu)的37%，2003 年開始持續(xù)投資反應(yīng)堆建設(shè)，2007 年啟動燃煤電站退出機(jī)制，2014年全部關(guān)停燃煤電站（使得安大略省成為北美首個全部停止燃煤能源的行政單位），此時核能占其能源結(jié)構(gòu)的62%。能源結(jié)構(gòu)升級之后，安大略省空氣質(zhì)量從2004年開始穩(wěn)步提升，每年的空氣質(zhì)量優(yōu)質(zhì)天數(shù)占比超過90%［17］。

圖2 不同能源的碳排放量Fig.2 Carbon emissions from different energy sources

1.4 國內(nèi)外典型實例分析

國內(nèi)外已經(jīng)針對利用核能供熱的可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、堆型選擇、環(huán)境影響、公眾接受程度及選址等進(jìn)行了大量的理論驗證、設(shè)計和實踐檢驗［15，18-26］。早在1954 年，蘇聯(lián)于奧布寧斯克啟用熱功率為10 MW 的實驗供熱堆型AST-500，并發(fā)展了核能供熱技術(shù)［27-28］。我國也于1989 年開發(fā)了熱功率為5 MW 的供熱堆型NHR-5［29］，該堆型由清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（原名核能技術(shù)設(shè)計研究院）開發(fā)，連續(xù)安全運行100 d 并順利完成了首次冬季供暖任務(wù)。自1971年開始，商用的核能供熱及發(fā)電/供熱便在俄羅斯（蘇聯(lián)）、保加利亞、匈牙利、羅馬尼亞、斯洛伐克、瑞士、捷克、加拿大、法國及丹麥等國家建造并運行，到2007 年，這些核供熱堆已成功安全運行超過500 堆年，供熱安全性得到了充分證明。

保加利亞Kozloduy 核電站自1990 年開始向電站所在地區(qū)進(jìn)行集中供熱，供熱溫度為70～150 ℃。該電站采用了4 臺電功率為408 MW 的WWER-440反應(yīng)堆和2 臺電功率為953 MW 的WWER-1000 反應(yīng)堆（熱功率為20 MW）［28］。后來，保加利亞為了加入歐盟陸續(xù)關(guān)停了4 臺較小的機(jī)組，2007 年又決定開始新建核電站。在上述機(jī)組發(fā)電及供熱期間，集中供熱一直運行良好。

羅馬尼亞Cernavoda 核電站使用了加拿大的CANDU6 重水反應(yīng)堆，#1 機(jī)組于1996 年12 月發(fā)電，#2 機(jī)組于2007 年9 月發(fā)電［28］。單臺機(jī)組電功率為700 MW，熱功率為19 MW，#1 機(jī)組上線后即向所在地進(jìn)行集中供熱，供熱溫度為70～150 ℃。

瑞士Beznau 核電站使用2 臺電功率為360 MW的壓水堆，單臺熱功率達(dá)到了80 MW，供熱溫度為70～130 ℃［28］，自1983年開始持續(xù)穩(wěn)定地向所在地供熱。該集中供熱系統(tǒng)向2 100 家居民、工業(yè)及農(nóng)業(yè)用戶供熱，供熱主管道達(dá)35 km，局域分布式管道達(dá)85 km。

俄羅斯（蘇聯(lián)）具有豐富的核能集中供熱經(jīng)驗，主要通過核能熱電聯(lián)產(chǎn)方式進(jìn)行供熱［28］，Balakovo電站單臺機(jī)組供熱能力達(dá)到200 MW。供熱時，從蒸汽輪機(jī)泄放閥向換熱器導(dǎo)入熱蒸汽，從而加熱水，達(dá)到向管網(wǎng)供熱的目的。

值得指出的是，2017 年11 月，中國原子能科學(xué)研究院的泳池式低溫供熱堆項目發(fā)布并實現(xiàn)安全供熱168 h［30］。該項目只有供熱目的，在進(jìn)行供熱演示驗證的基礎(chǔ)上，該堆型供熱能力達(dá)到400 MW，成為目前全球在研最大的供熱核反應(yīng)堆。

2019年11月，山東海陽核能供熱項目首次正式商用，采用2臺AP1000機(jī)組抽汽供熱方式為70 萬m2住宅供熱［31］。據(jù)估計，隨著后續(xù)機(jī)組的建成投運，最終可達(dá)到超過2 億m2的供熱能力，供熱半徑達(dá)100 km，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約662 萬t。預(yù)計在2030年前，國家電力投資集團(tuán)有限公司將依托海陽核電及新核電基地，同時聯(lián)合其他清潔能源，替代膠東半島所有燃煤鍋爐供熱，一舉打造供熱“零碳”地區(qū)、北方地區(qū)清潔供熱樣板。

可以看出，不管是核能熱電聯(lián)產(chǎn)還是單獨核能低溫供熱，目前已經(jīng)具有相當(dāng)成熟的技術(shù)儲備和廣大的市場需求，因此，我國核能供熱的潛力巨大。

1.5 我國發(fā)展核能集中供熱系統(tǒng)的時機(jī)已成熟

有統(tǒng)計顯示［27］，世界上的能源通過各個工業(yè)分支及家庭主要以熱能的形式被消耗，主要工業(yè)化國家能源70%以熱能形式消耗，而30%以電能形式消耗。目前該比例應(yīng)該有所改變，但可以預(yù)見絕大多數(shù)能源消耗還是以熱能形式為主。

熱能消耗有2 個溫度層次，低溫?zé)崮馨ㄓ糜诩泄帷⒑Ｋ捌渌康牡臒崴暗推肺徽羝?，而高溫的過程熱包括用于工業(yè)的過程蒸汽或化石燃料轉(zhuǎn)化及制氫等行業(yè)的高溫?zé)崮堋Ｊ褂盟涞暮朔磻?yīng)堆可提供約300 ℃的熱水或蒸汽，不管作為熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用還是單獨進(jìn)行低溫供熱，在技術(shù)上已經(jīng)證實可行。

根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)［10］：2018 年全國集中供熱系統(tǒng)的熱水供熱總量達(dá)到3 236.65 PJ，蒸汽供熱總量為577.31 PJ，相比2013 年分別增長了21.5%和8.4%；2016年的主蒸汽管道長度達(dá)12 180 km，主熱水管道長度為201 389 km，相比2015 年分別增長了4.2%和4.5%?？梢?，不管是熱能需求總量還是輸熱管道，均處于高速發(fā)展的狀態(tài)。

除了核能自身的高效和清潔特性，能量利用效率的提升也是核能供熱的一個內(nèi)在推動因素。據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）統(tǒng)計，典型的核電站熱電轉(zhuǎn)換效率為33%，這意味著該過程中大約2/3 的能量加熱空氣或被冷卻水帶走。如果將廢熱進(jìn)行綜合利用，總的利用效率可達(dá)80%，同時將大幅度減小單位產(chǎn)能所帶來的廢棄物。另外，若單獨進(jìn)行低溫核能供熱建設(shè)，小堆或中小堆型因其加強(qiáng)的固有安全性、更小的投資而更具吸引力，更容易被用戶接受（不同的核能供熱堆型及其安全性與經(jīng)濟(jì)性將在下文進(jìn)行分析）［32］。

一般來講，熱水形式的核能可以被輸送到150 km以外，且成本上仍然具有競爭性。低溫核供熱堆的熱水供應(yīng)管道有2～3 層的有效隔離，且容易和已有供熱管道接駁，供熱輸送端的技術(shù)已經(jīng)成熟。

與傳統(tǒng)熱源相比，核能供熱不但顯著減少了污染排放，還將有效改善我國能源結(jié)構(gòu)，緩解日趨緊張的能源供應(yīng)局面。另外，由于反應(yīng)堆設(shè)計的固有安全性，可真正做到“零堆熔、零排放、易退役”；同時，反應(yīng)堆壽命一般可達(dá)40～60 年，是燃煤鍋爐的2～4倍。綜上，推進(jìn)核能集中供熱的時機(jī)已經(jīng)來臨。

2 幾種典型核供熱堆型的安全性分析

我國核電廠基本分布在沿海地區(qū)，距離需要集中供熱的大部分北方地區(qū)距離太遠(yuǎn)，無法全面實現(xiàn)核電廠的熱電聯(lián)供，因此，本文只選取主要以供熱為目的的堆型進(jìn)行分析。

主要用于城市集中供熱的核反應(yīng)堆堆型可分為池式堆和殼式堆2 大類。 中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司（以下簡稱中核集團(tuán)）下屬中國原子能科學(xué)研究院（以下簡稱原子能院）的“燕龍”池式核供熱堆示范系統(tǒng)，是在49-2游泳池式工程材料實驗堆的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)改造而成的。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（以下簡稱清華核研院）自主研發(fā)的低溫供熱堆系列NHR-5，NHR-200，NHR-200 II 屬于殼式一體化核供熱堆堆型。適用于城市集中供熱的模塊化小堆技術(shù)，如中核集團(tuán)研制設(shè)計的ACP100 型小堆、國家核電技術(shù)公司上海核工程研究設(shè)計院研制設(shè)計的CAP150 型小堆等，也都屬于殼式堆型。下面分別對清華核研院的低溫供熱堆、原子能院的“燕龍”池式核供熱堆、中核集團(tuán)的ACP100 型小堆（從堆熱功率水平來看，清華核研院的低溫供熱堆系列也應(yīng)屬于小堆范疇，但按照習(xí)慣稱呼分別描述）這幾種典型核供熱堆系統(tǒng)的安全性做簡要分析。

2.1 清華核研院低溫核供熱堆

清華核研院自主研發(fā)的低溫核供熱堆源起NHR-5 型5 MW 低溫核供熱示范堆，至今已先后發(fā)展了NHR-5，NHR-10，NHR-200，NHR-200 II 型一體化核供熱堆堆型，其中NHR-200 II型堆的設(shè)計運行參數(shù)有了大幅度提升，除可對熱用戶供熱外，還可滿足工業(yè)蒸汽用戶的高參數(shù)要求，同時也能滿足應(yīng)用低溫供熱堆進(jìn)行海水淡化、汽水聯(lián)供等技術(shù)的要求，有效提高了核供熱堆的利用率、經(jīng)濟(jì)性和社會價值。

用于集中供熱時，低溫核供熱堆系統(tǒng)及回路系統(tǒng)如圖3所示。在壓力容器內(nèi)，由自然循環(huán)驅(qū)動，形成開式的一回路冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)。堆芯產(chǎn)生的核釋熱經(jīng)由安裝在壓力容器內(nèi)的主換熱器傳給二回路循環(huán)水。二回路（中間回路）接收到的熱量，再通過二-三回路換熱器傳給三回路循環(huán)水，直接供給熱用戶。二回路的工作壓力高于一回路，可保證在主換熱器傳熱管破裂事故發(fā)生時，放射性不會進(jìn)入中間回路，更不會傳遞到三回路和熱用戶［33］。除了有二回路作為隔離回路，在有放射性的一回路和熱用戶之間進(jìn)行間接熱量傳遞和屏蔽放射性，上述幾種NHR系列型號低溫核供熱堆的設(shè)計中，還有一系列安全方面的技術(shù)特點和防止嚴(yán)重事故發(fā)生的保障措施。

圖3 低溫核供熱堆系統(tǒng)及回路系統(tǒng)Fig.3 Low-temperature nuclear heating reactor system and its loop system

（1）負(fù)溫度反應(yīng)性系數(shù)。堆芯設(shè)計具有較大的負(fù)反應(yīng)性系數(shù)，采用不含硼溶液的堆芯冷卻劑。這樣的堆芯設(shè)計可保證在全壽期內(nèi)都具有負(fù)的慢化劑溫度反應(yīng)性系數(shù)，確保反應(yīng)堆系統(tǒng)具有自動停堆和自穩(wěn)定能力，同時省去了化學(xué)和容積控制系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，使低溫供熱堆系統(tǒng)整體簡化，利于安全運行［29，34］。

（2）一體化自穩(wěn)壓設(shè)計。堆芯及包括主換熱器（一-二回路熱交換器）在內(nèi)的一回路系統(tǒng)全部布置在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)。堆芯布置于壓力容器底部中心位置，主換熱器位于上升通道與壓力容器內(nèi)壁之間的環(huán)形空間內(nèi)。一回路系統(tǒng)全部布置在壓力容器內(nèi)的一體化布置方式取消了冷卻劑的連接管路和閥門，只在壓力容器上部布置了小口徑的工藝管，大大降低了發(fā)生管路破口失水事故的概率［34-35］。壓力容器的上封頭內(nèi)留有空間并充入氮氣N2，運行時堆芯內(nèi)產(chǎn)生的水蒸氣和充入的N2共同起到穩(wěn)壓作用，構(gòu)成一回路運行壓力［33，36］。

（3）自然循環(huán)冷卻。清華核研院的低溫核供熱堆系列堆型設(shè)計中，一回路冷卻劑均采用全功率自然循環(huán)的運行方式，取消了核主泵這一受制于外電源的強(qiáng)迫循環(huán)驅(qū)動設(shè)備。如圖3 所示，依靠主換熱器（壓力容器內(nèi)冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)中的“冷源”）與堆芯（熱源）之間的高度差（以及冷、熱源處的冷卻劑密度差）產(chǎn)生自然循環(huán)驅(qū)動力，可建立起足夠大的冷卻劑循環(huán)流量，足以帶走滿功率運行時的堆芯發(fā)熱量［29，33，35］。

低溫供熱堆的余熱排出系統(tǒng)也是依靠自然循環(huán)驅(qū)動原理帶走堆芯衰變熱。在正常和事故工況下反應(yīng)堆停堆后，余熱排出系統(tǒng)啟動（二回路隔離閥關(guān)閉、余熱排出系統(tǒng)隔離閥開啟）投入使用。該系統(tǒng)的換熱器為空冷器（冷源），與壓力容器內(nèi)主換熱器（熱源）之間的高度差（以及冷熱源處冷卻劑密度差）產(chǎn)生自然循環(huán)驅(qū)動力，二回路內(nèi)工質(zhì)通過自然循環(huán)把堆芯余熱傳給主換熱器的熱量帶至空冷器熱側(cè)。空冷器內(nèi)的空氣被加熱，在空冷器內(nèi)建立起自然循環(huán)，把熱量排給作為最終熱阱的大氣。由上述過程可知，低溫供熱堆的堆芯余熱排出經(jīng)歷了3 個自然循環(huán)：一回路自然循環(huán)、主換熱器至空冷器自然循環(huán)、空冷器至大氣熱阱自然循環(huán)，全部過程均無需外加動力，另外，系統(tǒng)采用兩路互為冗余的設(shè)計，保證了堆芯余熱排出的可靠性［33］。

（4）雙層承壓殼結(jié)構(gòu)。如圖3所示，除反應(yīng)堆壓力容器之外，安全殼也由承壓金屬材料制成，并且壓力容器下半部分內(nèi)外殼之間的空隙很小，這樣的設(shè)計能保證即使壓力容器發(fā)生泄漏，因壓力容器下半部分與安全殼間的容積很小，從壓力容器泄漏出的冷卻劑量也不至于會導(dǎo)致堆芯裸露。外層的金屬安全殼能夠承受全部一回路壓力，可阻止冷卻劑繼續(xù)外泄［26，33］。

（5）運行參數(shù)低、熱慣性大。相比于目前核電廠輕水反應(yīng)堆的運行參數(shù)（如大亞灣核電廠三環(huán)路壓水堆一回路運行壓力為15.5 MPa，堆芯進(jìn)/出口溫度為292.4/327.6 ℃），清華核研院的低溫核供熱堆一回路設(shè)計運行參數(shù)要低得多，如NHR-5 和NHR-200 型反應(yīng)堆的一回路運行壓力分別為1.5 MPa 和2.5 MPa，堆芯進(jìn)/出口溫度分別為146/186 ℃和140/210 ℃，而滿足工業(yè)供汽要求、用途大為拓展的NHR-200 II 型反應(yīng)堆的一回路壓力為8.0 MPa，堆芯進(jìn)/出口溫度為230.0/278.0 ℃［33］。另外，由于低溫供熱堆采用一體化設(shè)計、自然循環(huán)冷卻方式，反應(yīng)堆壓力容器的容積必須足夠大，使得壓力容器內(nèi)冷卻劑量與堆芯功率比大幅提高，冷卻劑的熱慣性也大幅提高，有足夠緩解破口失水事故的安全裕度［29，33-34］。

（6）可靠的停堆系統(tǒng)。從NHR-5 型反應(yīng)堆開始，清華核研院低溫核供熱堆控制棒采用水力驅(qū)動系統(tǒng)來控制，水力傳動的工作介質(zhì)即為堆芯冷卻劑，由該系統(tǒng)的循環(huán)泵從堆內(nèi)汲取。水力驅(qū)動的工作原理是動壓傳動，即只有工作介質(zhì)的流動才能產(chǎn)生壓差，繼而產(chǎn)生推動力，維持或移動控制棒在反應(yīng)堆內(nèi)的軸向位置。水力驅(qū)動從機(jī)理上可避免多根控制棒同時提升和連續(xù)提棒的可能性，由于控制棒驅(qū)動系統(tǒng)的部件位于壓力容器內(nèi)部，也消除了控制棒的彈棒事故；另外，因其動壓傳動的機(jī)理，在失去水力驅(qū)動系統(tǒng)循環(huán)泵外電源的事故工況下，控制棒自然會由重力驅(qū)動落入堆芯。針對該水力驅(qū)動系統(tǒng)，清華核研院已有多年的研發(fā)經(jīng)驗，有較高的控制精度和可靠性。因低溫核供熱堆正常工況下采用不含硼溶液的堆芯冷卻劑，控制棒的作用顯得尤為重要，所以擁有高控制精度、高可靠性的水力驅(qū)動系統(tǒng)也提高了低溫供熱堆實現(xiàn)安全停堆的可靠性［29，33-35］。除控制棒停堆系統(tǒng)之外，低溫供熱堆還有第2 停堆系統(tǒng)的注硼系統(tǒng)，而且注硼系統(tǒng)的注硼罐位置高于壓力容器，硼的注入也是基于重力壓頭注入的非能動原理［33］。

綜上所述，清華核研院的低溫核供熱堆的系列堆型采用了在自然規(guī)律下即可實現(xiàn)的非能動安全功能設(shè)計，確保了低溫核供熱堆高度安全可靠運行。

2.2 原子能院“燕龍”游泳池式低溫供熱堆

游泳池式低溫核供熱堆示范系統(tǒng)如圖4 所示。反應(yīng)堆堆芯一直埋置于冷卻劑水池中，對于49-2游泳池堆，水池深度為7.15～7.25 m［37］，水面與大氣相通?！把帻垺庇斡境厥降蜏毓岫咽痉断到y(tǒng)的運行參數(shù)較低，因游泳池水面與大氣相通，堆芯所在處的壓力即為水深處的靜壓力，一回路冷卻劑進(jìn)出口溫度為58.3/59.0 ℃、二回路（隔離回路）水進(jìn)出口溫度為54.6/56.0 ℃、三回路（用戶管網(wǎng)）水進(jìn)出口溫度為47.2/53.0 ℃［38］。若要提高供熱管網(wǎng)內(nèi)熱水溫度，則需要提高游泳池堆的運行參數(shù)，此時可簡單地通過增加水深提高水層靜壓力來實現(xiàn)［39］，例如可將堆芯出口溫度提高到100 ℃左右，供熱管網(wǎng)供水溫度達(dá)到90 ℃以上。

由圖4 中一回路冷卻劑流動方向可見，正常運行條件下，游泳池式低溫供熱堆冷卻劑自上而下流過堆芯，被加熱的冷卻劑由泵從堆芯下面抽出送至一-二回路熱交換器，把熱量傳給二回路水，冷卻下來的一回路冷卻劑流回游泳池內(nèi)堆芯上方，再繼續(xù)自上而下流過堆芯，完成一回路冷卻劑循環(huán)。

圖4 游泳池式低溫核供熱堆系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic of swimming pool type low-temperature nuclear heating reactor system and its loop systems

針對游泳池式低溫供熱堆，可歸納以下幾點安全特性及放射性釋放的預(yù)防措施，確保該型反應(yīng)堆系統(tǒng)的安全運行。

（1）堆芯始終處于淹沒狀態(tài)。游泳池堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且具有可靠的固有安全性。反應(yīng)堆堆芯安裝在冷卻水池底部位置，水池埋置于地下，水池液位基本與當(dāng)?shù)氐仄矫娉制?，因此堆芯始終被冷卻水淹沒。另外，一回路冷卻水經(jīng)由一-二回路換熱器的出口管路段和入口管路段與水池相通的一端相對位置均較低（在水池底部的堆芯位置附近），而管道穿過水池壁的位置較高（如原子能院“燕龍”游泳池式低溫供熱堆設(shè)置在6.9 m 位置［37］），當(dāng)發(fā)生一回路冷卻劑管道破裂事故時，這樣的設(shè)計可限制水池內(nèi)的失水量，使得水池內(nèi)的冷卻水液面仍保持在管道穿過水池壁的高度處，保證堆芯處于淹沒狀態(tài)。

（2）負(fù)溫度反應(yīng)性系數(shù)。49-2 堆的游泳池式反應(yīng)堆堆芯設(shè)計具有負(fù)溫度反饋效應(yīng)，即使在反應(yīng)堆滿功率運行工況下發(fā)生全場斷電事故時，假想控制棒和安全棒均不能插入堆芯，主冷卻劑循環(huán)泵失去電源而強(qiáng)迫循環(huán)中止，應(yīng)急冷卻泵無法啟動的極端條件下，堆芯燃料和冷卻劑溫度上升引入的負(fù)反應(yīng)性可使反應(yīng)堆進(jìn)入次臨界狀態(tài)而自動停堆［37］。

（3）自然循環(huán)冷卻。正常運行時，在主冷卻劑泵驅(qū)動的強(qiáng)制循環(huán)條件下，游泳池式低溫供熱堆冷卻劑自上而下流過堆芯，在主泵停轉(zhuǎn)的事故工況下，處于池底位置的堆芯產(chǎn)生的熱量不斷加熱該處池水，使得水池上下部水密度發(fā)生變化（堆芯處高溫水密度降低），產(chǎn)生自然循環(huán)驅(qū)動壓頭；當(dāng)自然循環(huán)驅(qū)動壓頭大到足以克服冷卻劑流過堆芯的阻力時，水開始向上流動，整個水池內(nèi)自然循環(huán)得以建立，水池底部堆芯產(chǎn)生的余熱會不斷地傳遞到水池上部和水表面，并最終傳遞給大氣熱阱而排出［37］。這一非能動的堆芯余熱自然循環(huán)冷卻方式具有高度的可靠性。

（4）應(yīng)急補(bǔ)水保障。在發(fā)生水池失水事故時，“燕龍”游泳池式低溫供熱堆設(shè)計了多種方式向游泳池補(bǔ)水，主要包括：補(bǔ)水箱補(bǔ)水（失電時手動閥開啟）、二次水補(bǔ)水（失電時無效）、堆頂大廳消防水龍頭補(bǔ)水、反應(yīng)堆廠房內(nèi)/外消防栓補(bǔ)水、消防水車補(bǔ)水、輔助柴油發(fā)電機(jī)及水帶補(bǔ)水［39］。

（5）多道屏障隔離放射性釋放。如圖4 所示，“燕龍“游泳池式低溫供熱堆建在地下，反應(yīng)堆的地面上方建有密封的廠房，形成了燃料元件包殼、冷卻劑水池、反應(yīng)堆系統(tǒng)地下深埋結(jié)構(gòu)、反應(yīng)堆密封廠房共4道屏障，可有效隔離堆芯的放射性，確保堆芯放射性不會向環(huán)境釋放［40］。

2.3 ACP100小堆

小堆的用途靈活多樣，其應(yīng)用目標(biāo)之一是集中供熱。下面以ACP100 小堆為例，介紹小堆設(shè)計獨有的安全特性。ACP100 小堆電功率為100 MW，是由中國核工業(yè)集團(tuán)公司開發(fā)的集成式壓水堆，基于現(xiàn)有的非能動安全系統(tǒng)的壓水堆技術(shù)，在運行瞬態(tài)和假定的設(shè)計基準(zhǔn)事故中，通過自然循環(huán)來冷卻堆芯，冷卻劑系統(tǒng)集成設(shè)計使其可在壓力容器（RPV）內(nèi)安裝一回路主要部件。

ACP100 的設(shè)計具有固有和非能動的安全功能，消除了大口徑的主冷卻劑管道，從根本上消除了傳統(tǒng)的主管道破裂導(dǎo)致的大破口失水事故發(fā)生的可能性。 非能動安全系統(tǒng)主要由非能動堆芯衰變熱排出系統(tǒng)、非能動安全注入系統(tǒng)、非能動安全殼排熱系統(tǒng)和反應(yīng)堆減壓系統(tǒng)組成［41］，如圖5所示［42］。

圖5 模塊化小堆ACP100整體示意Fig.5 Overall schematic of an ACP100 small modular reactor

（1）專設(shè)安全設(shè)施。ACP100 的設(shè)計具有多項非能動安全功能和嚴(yán)重事故緩解功能。反應(yīng)堆建筑物和乏燃料池建在地下（如圖6 所示），可更好地預(yù)防外部事件的影響并降低放射性向外釋放的可能性［42］。當(dāng)乏燃料池中充滿10年的乏燃料時，在發(fā)生事故的情況下，乏燃料池水因沸騰而蒸發(fā)，使乏燃料裸露之前，冷卻系統(tǒng)能夠應(yīng)對7 d。嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施通過以下方式實現(xiàn)：非能動反應(yīng)堆腔體溢流防止壓力容器融化，非能動氫氣復(fù)合系統(tǒng)防止安全殼內(nèi)氫氣爆炸以保持嚴(yán)重事故情況下安全殼的完整性，自動泄壓系統(tǒng)和壓力容器廢氣排除系統(tǒng)可去除事故后不凝性氣體在壓力容器上封頭內(nèi)的聚集。

圖6 ACP100小型堆設(shè)施建在地下Fig.6 Underground facilities for the ACP100 small reactor

（2）非能動堆芯衰變熱排出系統(tǒng)（PDHRS）。PDHRS 可以防止堆芯在設(shè)計基準(zhǔn)事故（DBA）以及超設(shè)計基準(zhǔn)事故（BDBA）的情況下熔融，例如全場斷電、主給水完全喪失、小破口失水事故（即防止BDBA 向嚴(yán)重事故轉(zhuǎn)變）。 ACP100 的PDHRS 由一臺應(yīng)急冷卻器和相關(guān)的閥門、管道和儀表組成。應(yīng)急冷卻器位于安全殼冷卻水儲水箱中，該儲水箱為應(yīng)急冷卻器提供了熱阱。PDHRS 熱交換器安裝在裝有冷卻液的安全殼內(nèi)的儲水箱中，堆芯衰變熱通過自然循環(huán)或主冷卻劑泵的強(qiáng)制循環(huán)排出。PDHRS 可提供3 d 的冷卻而無需操作員干預(yù)，或者從冷卻池以重力方式供水來提供14 d的冷卻。

（3）非能動堆芯冷卻系統(tǒng)。ACP100 小堆的非能動堆芯冷卻系統(tǒng)包括2 個冷卻劑儲箱、2 個注入箱、1 個安全殼內(nèi)儲水箱和相關(guān)的注入管線。ACP100 具有與安全相關(guān)的直流電源，最多可支持72 h的事故緩解，并具有輔助電源單元，可為電池系統(tǒng)充電長達(dá)7 d。在事故情況下，以自然循環(huán)的方式，通過安全殼和最終熱阱之間的氣體和蒸汽對流來排出熱量，從而確保安全殼的完整性。

（4）內(nèi)置換料水箱（IRWST）。內(nèi)置換料水箱是一個非能動水箱，位于內(nèi)部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)板上。在換料期間，換料水箱為換料腔、內(nèi)部構(gòu)件儲藏室和換料輸送管供水以完成換料操作。在失水事故和蒸汽管破裂的情況下，換料水箱為應(yīng)急堆芯冷卻供水。在嚴(yán)重事故情況下，換料水箱內(nèi)的水在重力作用下會在平衡水位下淹沒內(nèi)部構(gòu)件。在自動降壓系統(tǒng)（ADS）的運行過程中，換料水箱吸收ADS 噴射的蒸汽。在PDHRS 冷卻器運行期間，換料水箱充當(dāng)PDHRS的熱阱。

（5）反應(yīng)堆蓄水池。反應(yīng)堆蓄水池在換料操作或堆內(nèi)檢查時使用，包括用隔板隔開的2部分：反應(yīng)器堆隔艙和與其相鄰的內(nèi)部構(gòu)件存儲池。

（6）安全殼系統(tǒng)。ACP100 安全殼內(nèi)裝有反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、非能動安全系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，采用鋼板包裹的小型混凝土安全殼和非能動安全殼排熱系統(tǒng)。非能動安全殼排熱系統(tǒng)由2個安全殼冷凝器、儲水箱和相關(guān)的閥門、管道和儀表組成。

核安全始終是ACP100 型小堆設(shè)計中考慮的第一要務(wù)，該堆型可安全運行并提供清潔能源。核安全的最終目標(biāo)是建立和維持有效的防御措施，以有效保護(hù)人員、社區(qū)和環(huán)境免受放射性災(zāi)害的影響。ACP100 的設(shè)計和操作可確保輻射劑量不超過限值，并保持在可達(dá)到的最低水平。就所有考慮的事故序列而言，事故預(yù)防措施可確保放射性后果均低于劑量限值，即使在不太可能的嚴(yán)重事故中，也可通過實施應(yīng)急計劃來確保減輕事故造成的影響。ACP100 的設(shè)計融合了最新設(shè)計的運營經(jīng)驗，盡可能合理地采用成熟的技術(shù)和設(shè)備。

3 核能集中供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和社會價值

我國有60%以上地區(qū)（涉及50%以上的人口）需要冬季供熱，集中供熱熱源主要來自大型燃煤電廠的熱電聯(lián)供或小型燃煤供熱鍋爐，每年的煤耗量約為5 億t，煤炭燃燒所產(chǎn)生的有害物質(zhì)排放量巨大，是環(huán)境空氣污染嚴(yán)重和霧霾天氣的主要成因之一。作為清潔能源之一，核能供熱技術(shù)已解決了安全性問題，經(jīng)濟(jì)性良好且社會價值巨大，未來可成為重要的供熱資源。

以池式核供熱堆為例，與其他能源供熱方式進(jìn)行對比，分析核能供熱的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。表1 給出了不同供熱方式的燃料消耗和成本、服役年限及熱價［43］。與傳統(tǒng)化石能源供熱相比，核能供熱建設(shè)初始投資遠(yuǎn)高于同規(guī)模燃煤和燃?xì)忮仩t，遠(yuǎn)低于同規(guī)模地?zé)峋?。例如，深水池式低溫供熱堆初始投資是同規(guī)模燃煤鍋爐的2～3倍。與傳統(tǒng)化石能源供熱相比，核能供熱的運行成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃煤和燃?xì)忮仩t，僅考慮燃料成本，核能供熱的運行成本僅為燃煤鍋爐的1/3，是燃?xì)忮仩t的近1/9。以400 MW熱源為例，采用核能供熱所能帶來的環(huán)保效益見表2［44］。采用核能供熱時，運行中不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體和硫化物、氮氧化物、煙塵等大氣污染物，將大大削減廢氣的處置費用，進(jìn)一步降低核能供熱的成本，每年可節(jié)省成本至少3 000 萬元。另外，核能供熱的使用壽命明顯優(yōu)于燃煤鍋，爐核燃?xì)忮仩t壽命可達(dá)40～60 年，是燃煤鍋爐的2～4 倍［25］，是燃?xì)忮仩t的2倍以上。因此，綜合考慮供熱的建設(shè)成本、運行成本及服役年限，核能供熱堆的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于燃?xì)夤┡偷責(zé)峁┡c燃煤鍋爐相當(dāng)。

核能供熱的社會價值除了表現(xiàn)在有害物質(zhì)排放量銳減，還表現(xiàn)在可實現(xiàn)分布式能源的便利性、用能的靈活性等。例如：清華核研院的NHR-200II型核供熱堆的設(shè)計參數(shù)可滿足工業(yè)蒸汽用戶的要求；結(jié)合溴化鋰吸收式制冷技術(shù)，核能供熱系統(tǒng)在夏天同樣可以提供制冷系統(tǒng)的熱源，實現(xiàn)核能制冷［45］；在冬季需要供熱、海水資源豐富但缺乏淡水的地區(qū)（如天津、青島等地），合理設(shè)計的核供熱反應(yīng)堆系統(tǒng)可同時提供滿足參數(shù)要求的蒸汽，用于多效蒸餾法的海水淡化，在進(jìn)行核能供熱的同時，獲得淡水資源。

表1 不同供熱方式的燃料消耗、成本、服役年限及熱價Tab.1 Construction cost，operating cost and service life of different heating methods

表2 采用不同的400 MW熱源供熱時大氣污染物排放量Tab.2 Air pollutant emissions from heat supply with different 400 MW heating resources

4 核能集中供熱系統(tǒng)運行性能提升可能性分析

與分布式供熱相比，城市集中供熱具有供熱質(zhì)量高、空氣污染小、自動化程度高及對周邊居民干擾小等優(yōu)勢，已成為解決城市供熱造成的污染問題的重要手段。城市集中供熱系統(tǒng)運行模式主要有直供和間供2 種模式，直供模式中熱媒由熱源經(jīng)過熱網(wǎng)后直接輸往熱用戶，間供模式下熱媒首先由熱源經(jīng)一次熱網(wǎng)進(jìn)入熱力站，隨后在熱力站與二次熱網(wǎng)的熱媒進(jìn)行熱交換，二次熱媒經(jīng)二次熱網(wǎng)輸往熱用戶［46-47］。低溫核能供熱一般采用間供模式，與傳統(tǒng)集中供熱方式不同，核供熱堆首先通過長距離熱力管線將熱媒輸往城市熱力站，在此與二次熱網(wǎng)的熱媒進(jìn)行熱交換，二次熱網(wǎng)的熱媒輸往熱用戶。目前，我國核能供熱技術(shù)還受遠(yuǎn)距離輸熱技術(shù)的限制，城市集中供熱系統(tǒng)也還有很大的優(yōu)化空間。因此，低溫核供熱堆、長距離熱力管線及城市集中熱力管網(wǎng)組成的新管網(wǎng)系統(tǒng)，除了低溫核反應(yīng)堆自身性能的優(yōu)化和提升，還可將低溫核供熱技術(shù)與其他集中供熱性能提升技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步提升低溫核供熱技術(shù)的性能，降低建造和運行成本，提升供熱質(zhì)量。本節(jié)主要從節(jié)能減阻技術(shù)和集中供熱系統(tǒng)性能提升技術(shù)等方面探討核能集中供熱性能進(jìn)一步提升的可能性。

4.1 與添加劑湍流減阻技術(shù)相結(jié)合

在液體的管道湍流中添加少量的高分子聚合物或某種界面活性劑會使湍流阻力大大降低，實驗室中的直管道理想條件下，水的湍流摩擦阻力最多可降低90%［48-49］，即推動相同流量的水流動只需要原來泵功率的10%。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，減阻率仍可達(dá)50%左右。這一減阻效應(yīng)無疑擁有很大的應(yīng)用潛力，可用于降低液體循環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動泵功率，達(dá)到節(jié)能目的。建筑物集中供熱系統(tǒng)是一個典型的液體循環(huán)系統(tǒng)，是湍流減阻效應(yīng)理想的應(yīng)用場合。

隨著湍流減阻流動與換熱機(jī)理方面基礎(chǔ)研究的進(jìn)展，世界范圍內(nèi)對該湍流減阻效應(yīng)在實際集中供熱/供冷系統(tǒng)中應(yīng)用的研究也逐步展開。目前，美國、丹麥、德國、瑞典、捷克以及日本等國家已經(jīng)有了在區(qū)域集中供熱或供冷系統(tǒng)中添加界面活性劑減小系統(tǒng)流動阻力以達(dá)到節(jié)能效果的成功試驗案例［50-51］。我國在集中供熱/供冷系統(tǒng)中應(yīng)用黏彈性流體方面僅開展了少數(shù)研究和試驗工作，本文作者所在的研究小組率先在實際集中供暖系統(tǒng)中展開了湍流減阻流動與傳熱的試驗研究［52］，取得了明顯的減阻效果。我國北方已有的集中供熱系統(tǒng)覆蓋面遼闊，如能實現(xiàn)上述節(jié)能流體流動，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，在滿足原有使用面積的前提下大大降低系統(tǒng)內(nèi)流體的驅(qū)動力。

核供熱堆一般建設(shè)在距離市區(qū)幾十km 的遠(yuǎn)郊，熱能通過熱力管線向市區(qū)集中供熱系統(tǒng)輸運，在供熱三回路系統(tǒng)，溫度最高約為130 ℃［53］，流動阻力損失和熱能損失嚴(yán)重。添加劑在帶來湍流減阻效果的同時，通常也會導(dǎo)致傳熱性能下降，這在長距離輸熱過程中是期望發(fā)生的事情。另外，供熱系統(tǒng)存在大量的換熱器，這就需要不僅流動阻力能夠降下來，同時還不能削弱換熱性能。研究發(fā)現(xiàn)，在高剪切率的換熱器系統(tǒng)中，表面活性劑減阻劑分子結(jié)構(gòu)可以被破壞，而通過換熱器后，減阻劑性能又自行恢復(fù)，這就帶來了既能減阻又不影響換熱性能的整體效果［54］。圖7 為典型的流動減阻及換熱裝置。

圖7 減阻流動及換熱典型結(jié)構(gòu)布置示意Fig.7 Schematic of a typical structure for drag reducing flow and heat exchange

減阻劑都有其適用的溫度范圍，超出該溫度范圍，減阻劑將失去減阻功能。有研究指出，在管徑為15.24 mm 的圓管中，陽離子表面活性劑C22TAC（ETAC）在80，90，107 ℃時的減阻效果依然很明顯；同時，減阻劑的烷基鏈越長，有效減阻的溫度上限值越高［55-56］。由此可見，在實際減阻系統(tǒng)中，總會有一種減阻劑可以覆蓋不同的溫度段，達(dá)到集中供熱系統(tǒng)減阻的目的。

到2016年年底，我國集中供熱系統(tǒng)的主熱水管道長度已經(jīng)超過20 萬km，這將是一個巨大的減阻技術(shù)應(yīng)用市場，也必將為節(jié)能減排的順利實現(xiàn)打下堅實的基礎(chǔ)。

4.2 基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化

前文探討了低溫核供熱技術(shù)與減阻保溫技術(shù)及強(qiáng)化傳熱技術(shù)相結(jié)合，通過降低長距離管線輸運阻力和熱量損失來提升低溫核供熱整體性能，降低運行成本。熱媒通過長距離管線輸運至城市供熱站后，供熱管網(wǎng)的設(shè)計與優(yōu)化是進(jìn)一步提升核供熱性能的不可或缺環(huán)節(jié)［57］。供熱管網(wǎng)的管徑、管線布置、敷設(shè)方式和管段壓差等的合理設(shè)計對整個集中供熱系統(tǒng)的性能有著非常重要的影響。引入低溫核供熱技術(shù)后，可在城市現(xiàn)有供熱管網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步提升城市集中供熱性能。本節(jié)結(jié)合目前城市集中供熱管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計，探討低溫核供熱系統(tǒng)運行性能提升的可能性。

城市集中供熱管網(wǎng)設(shè)計整體上應(yīng)遵循全局性、科學(xué)合理性和前瞻性3 個原則［58］：全局性原則指全面考慮方案的可行性，確保系統(tǒng)運行時整個城市區(qū)域的供熱需求能得到滿足；科學(xué)合理性原則是指設(shè)計相關(guān)方案時應(yīng)從科學(xué)分配系統(tǒng)的角度出發(fā)，考慮系統(tǒng)運行過程中的每個環(huán)節(jié)，充分分析相關(guān)的數(shù)據(jù)以得到合理方案；前瞻性則主要指設(shè)計相關(guān)方案時應(yīng)從長遠(yuǎn)角度出發(fā)，尤其要參考其所在城市的未來發(fā)展規(guī)劃，進(jìn)行前瞻性的部署和規(guī)劃，不能只滿足眼前的需要。城市集中供熱管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計策略主要包括以下2個方面［59-62］。

（1）供熱管路管徑、長度及管線布設(shè)等的優(yōu)化設(shè)計。將城市供暖需求作為管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的根本前提，考慮集中供熱管網(wǎng)的特點以及實際功能，采用區(qū)塊的結(jié)合方式進(jìn)行管徑、管長及布設(shè)的優(yōu)化，減小管線的供熱半徑，降低供熱管網(wǎng)中存在的阻力和熱能損失，達(dá)到平衡熱負(fù)荷并控制供熱管網(wǎng)成本的目的，確保集中供熱管網(wǎng)的穩(wěn)定性、規(guī)?；图谢?。

（2）優(yōu)化管網(wǎng)運行及調(diào)節(jié)方式。城市集中供熱管網(wǎng)的運行和調(diào)節(jié)會存在資源浪費及用戶需求無法滿足的現(xiàn)象，需要結(jié)合先進(jìn)的系統(tǒng)控制和熱工調(diào)節(jié)技術(shù)對集中供熱管網(wǎng)運行及調(diào)節(jié)方式進(jìn)行優(yōu)化。例如，水力失調(diào)是城市集中供熱系統(tǒng)運行需要面對的一個重要問題，由于系統(tǒng)調(diào)節(jié)失效，使得用戶室內(nèi)溫度難以達(dá)到預(yù)期值。為解決該問題，需加強(qiáng)集中供熱系統(tǒng)運行中相關(guān)參數(shù)的監(jiān)控及儀表檢測，可引入全網(wǎng)動態(tài)平衡策略進(jìn)行供熱管網(wǎng)熱力和水力的優(yōu)化和調(diào)節(jié)。

當(dāng)城市集中供熱引入核供熱技術(shù)時，需要根據(jù)核供熱的實際特點進(jìn)行城市供熱管網(wǎng)的設(shè)計與優(yōu)化；另外，熱媒通過一次熱網(wǎng)、二次熱網(wǎng)甚至三次熱網(wǎng)進(jìn)行熱交換，熱網(wǎng)供熱工況參數(shù)的調(diào)節(jié)與機(jī)組運行工況的匹配調(diào)節(jié)將成為當(dāng)前核供熱技術(shù)發(fā)展需要思考和解決的問題。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)及高性能計算機(jī)的發(fā)展，以大數(shù)據(jù)為背景的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)也將在集中供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及運行調(diào)節(jié)中發(fā)揮獨特的優(yōu)勢［63-64］。

深度學(xué)習(xí)是使用深層架構(gòu)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，在復(fù)雜的非線性關(guān)系描述方面具有巨大的優(yōu)勢，近些年來已取得顯著成就，廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。機(jī)器學(xué)習(xí)是指從有限的觀測數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)（或猜測）一般性規(guī)律，并將這些規(guī)律應(yīng)用到未觀測樣本上的方法。常用的機(jī)器學(xué)習(xí)方法包括決策樹、支持向量機(jī)、主成分分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯分類器、隨機(jī)森林等。深度學(xué)習(xí)采用的模型一般比較復(fù)雜，從樣本的原始輸入到輸出目標(biāo)之間的數(shù)據(jù)流經(jīng)過多個線性或非線性的組件。目前常用的模型是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，簡稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以看作是信息從輸入到輸出的信息處理系統(tǒng)。隨著更快的中央處理器（CPU）及通用圖形處理器（GPU）的出現(xiàn)、更快的網(wǎng)絡(luò)以及分布式計算軟件的普及，深度學(xué)習(xí)模型規(guī)模和精度不斷增加。借助城市集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)長期運行積累的大量數(shù)據(jù)及管網(wǎng)系統(tǒng)運行的水力和熱力動態(tài)平衡關(guān)系，構(gòu)造供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)模型，一方面獲得可反映管網(wǎng)布置參數(shù)及調(diào)節(jié)參數(shù)與管網(wǎng)運行中各節(jié)點供熱效果之間的深度學(xué)習(xí)模型，用于指導(dǎo)集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的實際運行調(diào)節(jié)；另一方面，也可將集中供熱管網(wǎng)的優(yōu)化工況作為目標(biāo)函數(shù)，建立相應(yīng)的深度學(xué)習(xí)模型，用于指導(dǎo)集中供熱管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計和運行。

借助前期積累的城市供熱大數(shù)據(jù)，在確保核供熱堆安全及供熱質(zhì)量的情況下，深度學(xué)習(xí)技術(shù)有望為尋找到一種合理的核供熱管網(wǎng)調(diào)節(jié)方式，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)供熱的目標(biāo)提供重要的技術(shù)支持。

4.3 與多熱源聯(lián)合供熱技術(shù)結(jié)合

隨著城市供熱規(guī)模的擴(kuò)大和供熱質(zhì)量的提高，多熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)是我國未來集中供熱系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。多熱源聯(lián)合供熱是指多個熱源同時存在于一個供熱系統(tǒng)，聯(lián)合運行又互不隔斷的供熱形式，即集中供熱系統(tǒng)由單一熱源枝狀網(wǎng)向多熱源環(huán)狀網(wǎng)轉(zhuǎn)變。研究表明，多熱源聯(lián)合供熱在節(jié)約能源，提高系統(tǒng)供熱質(zhì)量和運行安全性、可靠性、靈活性，降低運行成本等方面具有獨特優(yōu)勢［65-66］。多熱源聯(lián)合供熱在北歐已被廣泛采用，在我國還處于起步階段，只有部分城市開始采用。與單熱源供熱系統(tǒng)相比，多熱源集中供熱系統(tǒng)的水力和熱力工況更加復(fù)雜，運行調(diào)節(jié)時熱源負(fù)荷分配和調(diào)度更為復(fù)雜，因此，多熱源集中供熱系統(tǒng)熱源負(fù)荷分配和調(diào)度的優(yōu)化是未來研究的重點［66-68］。此外，之前的集中供熱系統(tǒng)熱源優(yōu)化調(diào)度大多考慮單一目標(biāo)函數(shù)，未來多熱源集中供熱系統(tǒng)熱源調(diào)度優(yōu)化要同時兼顧經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能性等［68］。采用低溫核供熱技術(shù)為一座城市進(jìn)行供熱時，也可結(jié)合多熱源聯(lián)合供熱技術(shù)提升該城市核供熱系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，但在此之前需根據(jù)低溫核供熱的實際情況進(jìn)行供熱系統(tǒng)熱源調(diào)度等方面的優(yōu)化。

4.4 與相變儲熱技術(shù)結(jié)合

相變儲熱技術(shù)是在全球性減排環(huán)保及國內(nèi)霧霾治理的背景下快速發(fā)展起來一種新型技術(shù)，在太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、工業(yè)余熱回收利用、分布式能源系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用［69］。該技術(shù)利用相變材料在相變過程中吸收和釋放熱量來進(jìn)行熱量的存儲和釋放，具有供熱方式靈活的優(yōu)勢，在供熱削峰填谷方面具有不可替代的作用。目前，相變儲熱供熱技術(shù)發(fā)展迅速，學(xué)者們已開發(fā)出多種適用于不同條件的穩(wěn)定性高、儲熱密度大及熱穩(wěn)定性良好的相變儲熱材料，如混合熔融鹽、相變蓄熱磚、有機(jī)復(fù)合醇等。與傳統(tǒng)的相變儲熱材料相比，有機(jī)復(fù)合醇和混合熔融鹽等低溫相變儲熱材料在民用供熱領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景，也是未來相變儲熱供熱技術(shù)發(fā)展的重要方向［70-71］。該技術(shù)可與低溫核供熱技術(shù)相結(jié)合，在完成供熱的同時進(jìn)行熱量的有效存儲，實現(xiàn)核能供熱調(diào)峰。

4.5 智能集中供熱

近年來，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及云計算等互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，大數(shù)據(jù)時代的到來加速了各行各業(yè)的變革，以電子信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)為核心的數(shù)據(jù)共享和智能化已成為各行各業(yè)未來的發(fā)展方向。在互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)的支持下，智能供熱成為城市集中供熱領(lǐng)域未來必然的發(fā)展方向［72-74］。中國華電集團(tuán)有限公司和華電電力科學(xué)研究院有限公司提出了智能集中供熱網(wǎng)的體系架構(gòu)設(shè)計，指出智能集中供熱網(wǎng)應(yīng)具備先進(jìn)和靈活的供熱系統(tǒng)輸配工藝、自動化的熱力輸配、融入互聯(lián)網(wǎng)的通信體系、無處不在的傳感器和測量裝置、智能調(diào)度與調(diào)節(jié)行為、統(tǒng)一的熱網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型及智能熱網(wǎng)設(shè)備管理等7 個特征［75］。其中，統(tǒng)一的熱網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型是智能集中供熱的理論基礎(chǔ)，智能調(diào)度與調(diào)節(jié)行為是智能集中供熱網(wǎng)的核心特征，在云儲存和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的支持下，熱網(wǎng)的水力、熱力、熱負(fù)荷預(yù)測等變得更加精確，可獲得更精確的供熱管網(wǎng)的調(diào)節(jié)及調(diào)度優(yōu)化模型，在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)供熱智能化控制與調(diào)節(jié)。

在各行各業(yè)朝著智能化發(fā)展的大背景下，核供熱技術(shù)與智能集中供熱技術(shù)相結(jié)合，必將顯著地提升城市集中供熱性能，優(yōu)化供熱運行參數(shù)，降低運行成本。

5 結(jié)束語

本文論述了我國發(fā)展核能集中供熱系統(tǒng)的必要性，作為高效清潔的新能源，核能在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用有巨大潛力，國外已有多個核能集中供熱系統(tǒng)成功運行多年的案例。

針對我國自主研發(fā)的幾種具有代表性的核供熱反應(yīng)堆設(shè)計，以清華核研院的系列低溫供熱堆、原子能院的“燕龍”游泳池式核供熱堆、中核集團(tuán)的ACP100 型小堆為代表，對其固有安全性進(jìn)行了分析，表明幾種核供熱反應(yīng)堆堆型均安全可靠，具有多用途、使用靈活等優(yōu)勢。核能供熱系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性和社會價值方面也有其獨特的優(yōu)越性。

討論了結(jié)合節(jié)能減阻技術(shù)和集中供熱系統(tǒng)性能提升新技術(shù)，進(jìn)一步提升核能集中供熱系統(tǒng)性能的可能性，如管路流動湍流減阻技術(shù)、基于深度學(xué)習(xí)的系統(tǒng)優(yōu)化、與多熱源聯(lián)合供熱、與相變儲熱相結(jié)合、與大數(shù)據(jù)結(jié)合的智能供熱等技術(shù)。

綜上所述，推進(jìn)核能集中供熱的時機(jī)已經(jīng)來臨，這將是新時代對“綠水青山就是金山銀山”理念的良好踐行。