近日，一聲令下，在江蘇連云港徐圩新區田灣核電基地，工業蒸汽不斷地涌向連云港石化基地能源中樞——虹洋熱電，標志著我國首個工業用途核能供汽項目——“和氣一號”項目在該基地正式建成投產，也意味著我國核能綜合利用從單一發電、民用供暖等，拓展進入到工業供汽領域。
遠眺田灣核電基地。江蘇核電 供圖
在綠色能源和低碳發展的浪潮中，核能作為一種安全、經濟、高效、可靠的清潔能源，備受關注。近些年，我國出臺《“十四五”現代能源體系規劃》《2024—2025年節能降碳行動方案》《2030年前碳達峰行動方案》等一系列政策，推動核能綜合利用。
作為國家首批“綠色低碳先進技術示范工程項目”，“和氣一號”為國內石化基地能源供應的綠色升級提供了新方案。核能如何輸“汽”？核能與石化聯手又將產生怎樣的化學反應？
綠色：核能“燒開水”，為石化行業提供零碳蒸汽
“和氣一號”承載了核電人的美好期許，從項目的命名就能體會到：“和氣”取“核汽”諧音，既富行業特色，又寓意和和氣氣、和氣生財。“一號”則體現了作為全國首家核能供汽項目的嘗試，打破了石化行業的高溫高壓蒸汽主要使用煤炭作為熱源的“壟斷”。
蒸汽是石化行業不可或缺的生產要素，它可作為熱源用于加熱物料、反應器以及設備；在原油提煉、化學品分離過程中，對物質純化也起到重要作用。每年，徐圩新區需要制備大量的蒸汽滿足園區生產生活需求，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。
熱源和水是產生蒸汽的兩個必備條件。“田灣核電3、4號機組內的核燃料發生核裂變產生的能量，加熱二回路的水，產生高溫高壓的蒸汽，成為‘和氣一號’的熱源。”江蘇核電二廠廠長、正高級工程師張祥貴說，這一步產生的蒸汽能夠驅動汽輪發電機發電，這也是核能發電的原理。若要實現供“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的除鹽水，使除鹽水成為符合工業標準的蒸汽，符合工業標準的蒸汽再經過三回路管網傳送到用汽端。
“和氣一號”項目的受汽端——連云港石化基地。江蘇核電 供圖
據了解，工業蒸汽需達到1.8兆帕、248攝氏度的標準，且要在嚴格的工藝參數下進行控制，以確保產品質量。張祥貴補充解釋道，“進入汽輪發電機做功發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‘多級換熱’技術，熱量可更充分地轉化為工業蒸汽，使機組實際熱效率得以提高。”
建設美麗中國，持續改善生態環境質量，根本在于加快推動發展方式綠色低碳轉型。“不同于石化基地傳統燃煤機組生產蒸汽，‘和氣一號’將清潔核能升級替代傳統化石能源，大大降低了蒸汽生產中的碳排放。”張祥貴算了一筆生態賬，這意味著“和氣一號”的實施，不僅能滿足石化產業的用汽需求，更能為降低綜合能耗和消除環境污染等方面提供有益助力。
據測算，項目的建成投產，每年可為連云港石化產業基地提供480萬噸工業蒸汽，相當于每年減少燃燒標準煤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，相當于新增植樹造林面積2900公頃。同時，隨著“碳核算”的逐步展開，每年可為石化基地節省70多萬噸碳排放指標，為地方打造萬億級石化產業集群、實施制造業重點產業鏈高質量發展提供有力支撐。
破局：創新超長距離供熱技術，實現核能供汽自主化
“和氣一號”作為核能供汽的“破局者”，國內外都無先例可循，這意味著項目從設計建設之初就要做探路者。
“探索、調試、磨合幾乎成了家常便飯。”張祥貴表示，在初步設計階段審查技術規格書、圖紙、專篇等設計文件150余份，提出設計審查意見1000余條。而在運行機組方面，兩臺機組雖已實現汽輪機、發電機到常規島的完全國產化，但其改造工程量之大，堪比建造一座百萬千瓦級核電機組的常規島。不過，令他印象深刻的還是蒸汽調試。
在蒸汽輸送之初，蒸汽參數不達標問題曾讓研發人員犯愁。“現在看來，只需調整蒸汽發生器參數和液位就能解決的問題，當時‘困’了大家好幾個月。唯有逐個設備調整試驗，嘗試尋找‘癥結’所在。”張祥貴說，縱有千難萬阻，好在“和氣一號”最終“闖關”成功，為核能綜合利用技術國產化提供了樣本，進行了開創性實踐。
在田灣核電站內，核電站生產的工業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，根據用汽需求，管道外直徑設計為0.92米，是國內第一條超大口徑、超長距離核能供熱蒸汽管網。
“和氣一號”項目的輸汽管道（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”為此下足了功夫。據了解，在“控溫”方面，該項目創新性采用了國內單套容量最大的雙側相變式蒸汽轉換技術，可以實現冷熱介質的逆向對流高效換熱，確保出口蒸汽溫度控制在260攝氏度左右。在“保溫”防護上，管網材質方面也格外考究，采用了預制架空保溫管，并以三重復合保溫結構技術為核心，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、聚氨酯等材質制成的高溫層。經測試，“重重包裹”下的蒸汽可實現每公里溫度下降不超過1攝氏度。同時，管網每隔一公里就設置溫度、壓力測點，精確感知管網輸送介質情況。
在一般情況下，當正常室溫遇到高溫蒸汽，管網內外的巨大溫差會使管道發生輕微膨脹變形出現位移。“為最大程度減少位移對管網輸送的影響，我們每隔一段距離就在管道加設‘U’型彎，以吸收膨脹產生的位移量，確保管網走向、位置準確。”張祥貴說。
輸送高溫蒸汽的管網猶如一條在海岸線蜿蜒的銀色“巨龍”，格外顯眼。據了解，在核電站內部，還有不少技術和設計創新，為源源不斷地供汽送汽保駕護航。
“和氣一號”設置了4套蒸汽轉換裝置，每套裝置包括一臺一級預熱、一臺二級預熱、一臺蒸發器和一臺過熱器，蒸汽的“多級換熱”就是在其中完成的。“不同于核能生電，這套設備要在蒸發器兩側同時完成‘水-汽’和‘汽-水’兩種介質的轉換，這是該項目的難點所在。”張祥貴解釋道，為解決這一難題，蒸發器采用管殼式、集成化設計理念，創新性地將管內凝結和管內過冷兩組管束設置在同一蒸發器殼體內，讓管側（汽變水）和殼式（水變汽）的介質均發生相變傳熱。同時，這種設計設備體積小，能夠節約占地空間。
此外，“和氣一號”還解決了壓水堆核電廠大規模工業供汽熱電聯產堆機熱匹配技術。該項目配套的海水淡化項目是目前江蘇省內最大，也是中國核電領域最大項目。據了解，項目平時采用海水直接淡化，冬季則可以利用3、4號機組海水排水隧道內的溫排水，減少能耗，這為核電廠溫排水的大規模綜合利用提供了范例。
安心：設置多重安全屏障，確保穩定高效運行
“和氣一號”以綠色安全、穩定高效作為項目定位。核電、石化對安全要求極高，對于大家所關心的核能供汽安全問題，張祥貴細述了項目的幾道安全屏障。
“和氣一號”能源站中控室。江蘇核電 供圖
首先，通過多重隔絕技術，確保核電廠一回路、二回路，及工業蒸汽回路系統各自獨立運作、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交換，從而最大程度保證工業蒸汽的安全性。
其次，創新性加設輻射監測儀表和快關閥。“和氣一號”在主蒸汽取汽管道和工業蒸汽管道上增加了輻射監測儀表，當儀表出現異常超過臨界值時，快關閥可在5秒內快速關閉，來自3、4號機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流向用汽端。
“根據調試測算的閥門關閉時間，我們為汽源切除等極端情況的發生制定應急預案。”張祥貴介紹，他們每年還要對相關操作人員開展至少80學時的復訓和模擬演練，定期進行考核。
保障了綠色、安全，核能供汽穩定高效的優勢才能夠更好地發揮。
近年來，煤炭、石油、天然氣等大宗化石能源的價格波動明顯，供應穩定性受到挑戰。在業內人士看來，核能綜合利用與高耗能行業耦合發展將進一步凸顯核能的零碳價值，可以滿足高耗能行業多樣化的用能需求。
據了解，目前田灣核電站可實現核電機組連續運行18個月不中斷，為石化行業提供穩定的蒸汽供應。“在設計上，我們對3、4號機組的加熱汽源進行調整，采用單機組供汽或兩臺機組聯合供汽兩種方式。如此一來，即使是遇到機組換料大修，也能實現每小時600噸額定負荷無擾切換連續供汽，從而保證每年8000小時蒸汽連續供應。”張祥貴說。
“和氣一號”不僅拓展了核能的應用場景，為核能工業供汽提供了成功經驗，也推動了核能綜合利用和多元發展的探索。據了解，當前江蘇還在探索海上光伏、工業制氫、抽水蓄能等項目。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。
