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核岛暖通系统设计阶段的运行碳排放分析

时间:2022年06月20日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

摘要:参考建筑碳排放和发电企业碳排放的组成,在设计阶段对核电核岛暖通系统运行能耗组成进行分析,根据系统运行实际和特点,研究该系统运行碳排放计算方法。对核岛暖通系统的主要碳源在正常运行工况下的碳排放量进行核算,得到系统寿命周期的排碳量和各组

  摘要:参考建筑碳排放和发电企业碳排放的组成,在设计阶段对核电核岛暖通系统运行能耗组成进行分析,根据系统运行实际和特点,研究该系统运行碳排放计算方法。对核岛暖通系统的主要碳源在正常运行工况下的碳排放量进行核算,得到系统寿命周期的排碳量和各组成部分的权重并加以分析。为设计阶段进行专业系统碳排放计算提供了参考方法,证明在设计阶段进行核岛暖通系统碳排放的预计算分析是可以进行的,并且对核电系统技术方案的设计和运行排碳量评价具有一定意义。

  关键词:核电;暖通;设计;碳排放;运行;碳源

核电

  0 引言

  碳达峰、碳中和是目前各行业的重要任务,各级政府、企业和行业都在制定包含“双碳”目标并能与之相适应的发展规划。我国2021年的二氧化碳排放量比2019年高6%,总量约为102亿~104亿t,其中燃煤 排 放 贡 献 约70%,电力部门煤炭用量的增加不容忽视。电力是未来能源增长的主体,并且与国计民 生 直 接 相 关,新增用电也属于刚性需求,其碳排放峰值及达峰速度是影响“双碳”目标的重要因素。近些年,电力行业结构也在不断优化,核电、风电和光伏发电等清洁能源的装机量快速增长,逐步替代传统火电的趋势明显。国内自20世纪90年代中期就开始深入研究核电厂对所处环境的影响,涉及了核电各环节和全寿命周期的基于相关材料的温室气体排放计算分析,放射性流出物排放及核设施在建造和运行维护期间间接排放的非放射性大气污染物。据相关文献资料[1],与燃煤发电相比,核能发电相当于减少燃烧标准煤1.047亿t,减少二氧化碳排放2.744亿t,减少二氧化硫排放89.03万t,减少氮氧化物排放77.51万t。核电厂可以看作是一个多学科、多系统精准协作的大型系统,各“子系统”运行方式、耗能模式等不尽相同。

  在核电厂包括燃料开采、设备生产、运输、建 造、运 行、退役和废弃物处理的全寿命周期中,发电运行阶段的各专业系统设备的碳排放缺少相关的细化研究。核岛暖通系统亦是如此,在安全和功能实现 的 前 提 下,受制于成熟技术的应用要求,节能和低碳并不是设计阶段的重要任务,而仅以是否达到相关标准要求作为衡量准则。而在建筑行业内,暖通系统(空调、供暖、通风、制冷)用能被视为是建筑运行阶段的首要能耗,绿色、低碳的目标和理念已被普遍认可和执行。基于以上情况以及暖通系统在核电厂中的广泛应用,认为定量核算系统的碳排放量是专业设计人员实现分解及执行“双碳”目标和任务的基础,本文通过参考发电企业和建筑碳排放的组成进行分析,对核电核岛暖通系统运行能耗组成进行解析,并进行具体计算,可为设计阶段进行专业系统评价的碳排放计算提供参考方法,积累相关经验。

  1 碳排放计算模型

  由《联合国气候变化框架公约》,碳在自然生态环境中向大气中释放碳的过程、活动或机制称为碳源,将大气中的碳固定在植被及土壤中以降低大气中温室气体浓度的过程、活动或机制称为碳汇。碳实现由碳源向碳汇的转化循环过程中,因源汇的强度不同而造成大气中碳积累量(记为 ΔC)的波动,进 而 干 扰 大 气 的 热 平 衡,产生一系列后续影响。ΔC 也可以视为某类活动引起的排碳量。

  1.1 建筑碳排放

  建筑碳排放[2]为建筑在全寿命 周 期 内 与 建 筑物有关的建材生产及运输、建造及拆除和运行阶段产生的温室气体排放量的总和。运行阶段,关于单体建筑碳排放的估算,其排放源的确定应该从成品建筑物内部各种项目功能出发,可将其划分为3个部分[3]。在设计阶段对于建材、建造及拆除阶段的工程量数据缺乏无法计算,本文仅参考建筑运营阶段碳排放中暖通空调系统部分进行计算。

  2 核电核岛暖通系统

  2.1 系统简介

  以华南区域某厂址核电厂为例,核岛厂房基础底板为防水 混 凝 土,内 外 墙 体 均 为 钢 筋 混 凝 土 墙体。核岛厂房除设备孔洞外无外窗,内窗采用铝合金窗。核岛厂房屋面防水等级为I级,保温层为挤塑聚苯板,大多数房间采用钢板门、防火门,厂房功能布置包括反应堆厂房、控制厂房与安全厂房、燃料厂房及核辅助厂房。核岛暖通专业系统划分有多个子系统,子系统间相互关联,对于核电站正常运行和环境保护起着重要作用,是反应堆重要的辅助屏障系统,也是核电站的纵深防御措施之一。

  暖通子系统以多样性、多重性、独立性和灾害防护准则为出发点,结合核岛主辅系统布置、电仪设备与厂房实际情况进行布置和功能分区。系统在核电体系内属于公用设施系统。核岛暖通系统按主要功能可分为通 风、空 调、防排烟和冷水制备几个大类,主要用于正常运行状态和事故工况下,维持人员和设备可接受的环境条件(温度、压力、湿度、放射性和清洁度),监测和限制放射性物质排放,保护人员和设备不受建筑物内部(缺氧、爆炸、火灾)和外部特殊危害的影响。

  反应堆厂房全部为控制区,设置安全壳冷却通风系统实现厂房冷却,设置安全壳换气通风系统实现厂房通风,设置安全壳内部过滤系统实现除碘降低厂房放射性,设置安全壳贯穿件间通风系统实现贯穿件泄漏气体的收集过滤。控制厂房与安全厂房的辐射防护控制区设置控制厂房与安全厂房控制区通风系统,控制厂房与安全厂房的非辐射防护控制区根据功能区域和设备布置分别设置控制厂房与安全厂房非控制区通风系统、主控室空调系统、主蒸汽主给水阀门间通风系统。燃料厂房全部为辐射防护控制区,设置燃料厂房通风系统。核辅助厂房辐射防护控制区设置核辅助厂房通风系统,核辅助厂房非辐射防护控制区根据厂房区域功能设置核岛运行冷冻间通风系统。另外,在存在高火荷载的房间设置排烟系统,在疏散楼梯间设置防烟送风系统。根据上游通风空调系统及有服务需求的工艺系统,设置2个以上的核岛冷水系统排除安全相关暖通系统及非安全相关暖通系统及部分工艺系统冷却盘管传递的热量,以及为安注泵电动机提供冷却。

  2.2 核岛暖通系统碳排放

  核岛暖通系统总体由冷源、热源、末端(冷、热)设备和输配装置几个部分组成,碳排放亦由此各组成部分的耗 能 产 生。相关自控等弱电系统、废物处理碳排放、冷却系统(热阱)碳排放等支持系统的碳排放以核电设计专业划分为基础划归于其他专业系统,这里不做讨论。另外,系统施工建造和退役碳排放可划归于全寿命周 期 的 建 造 和 退 役 过 程,这 里 亦 不 做 讨论。

  3 核岛暖通系统碳排放计算

  3.1 计算方法

  这里拟用基于供电碳排放因子法[5]计 算 系 统的碳排放。参照建筑运行阶段的总碳排放量[2]、核电厂的特点和计算边界及暖通系统组成。

  3.2 实例计算

  华南某厂址规划建设2台百万千瓦级压水堆核电机组,该项目核岛暖通系统设备数量较大,篇幅所限,这里只列出各类主要设备初步设计阶段的设计总功率和运行时段,汇总统计见表2。正常运行功率指系统正常运行时的设计运行功率,由于其他工况(超设计基准工况、严重事故工况等)为低概率事件,这里未进行讨论。核岛暖通系统连续运行指每天24h不间断连续运行。核岛厂房无外窗,核电主工艺设备和系统及高密度的电气设备冷负荷为暖通主要负荷,因此冷源系统全年运行,在冬季 为 部 分 负 荷 运 行,在 此 估 算 为60%,累计运行时长为7738h/a。

  核岛内部正常的气流流向在排出前应按照从潜在的低污染区流向逐渐增高的潜在污染区,潜在放射区域的排风不能被循环再用,正常通风系统全年连续运行,计算累计运行时长8760h/a。烟气控制系统设置的加压送风机和排烟风机在火灾事故时运行,计算累计运行时长可以忽略。电制冷风冷冷水机组在事故(失去冷却水)时运行,计算累计运行时长可以忽略。暖风机和电加热器主要在冬季连续运行,计算累计运行时长3720h/a。水泵参照冷水机组累计运行时 长 为7738h/a,各类电动阀参照风机累计运行时长8760h/a。另外,安全级系统和安全相关系统的主要设备均设置了冗余,计算累计能耗时不考虑冗余设备能耗。

  核电厂大修时间计为3年1次,约30d,计算运行累计时长时进行修正(维修系数0.972)。区域电网年平均供电排放因子参考最新《企业温室气体排放核算方法与报告指南》(2021年修订版,征求意见稿)中调整后的0.5839kg/(kW·h)。由以上讨论,根据式(1)~(5)可计算核岛暖通系统在设计运行工况下的主要碳源的碳排放量,根据式(6)可计算电制冷机的制冷剂产生的碳排放,制冷剂为 R134a,全球变暖值为1300,即释放1g的 R134a与释放1300g的二氧化碳具有相同的全球变暖效应。

  4 结语

  核电核岛暖通系统设计方案中,节能措施包含合理选取室外气象参数、确定室内设计参数,选择在同行业内IPLV 值高的制冷主机、选择采用高效率的通风机等,但核电设计要使用成熟、安全的可靠技术,节能型新产品如果没有长时间的运行检验也尽量不采用。在此背景下,只能通过深入详细的设计计算,不断优化设计方案,改进运行方案,使用可靠的储热、储冷、导风、气流组织、精细控制等技术来降低系统耗能。这是核电行业暖通方案在已有基础上“低碳”的合理出路。在设计阶段进行核岛暖通系统碳排放的预计算分析是可以进行的,该计算针对性强,如果能结合其他专业系统的碳排放计算结果,可以直观得到核岛运行过程的碳排放的设计成果,用于核电方案的运行排碳量评价有一定意义,对设计方案和运行方案的优化改进也有参考价值。同时,核电站系统及设备实际运行状态数据库建立非常有必要,这是运行碳排放评价的重要基础支撑,也能为宏观政策的制定提供必要参考。

  参考文献:

  [1] 田力.碳中和视角下的核能贡献[J].能源,2021(5):30-32.

  [2] 中国建筑科学研究院有限公司,中国建筑标准设计研究院 有 限 公 司. 建筑碳排放计算标准:GB/T51366—2019[S].北京:中国建筑工业出版社,2019.

  [3] 刘少瑜,苟中 华,巴 哈 鲁 丁.建筑物温室气体排放审计———香港建筑物碳 审 计 指 引 介 绍[J].中 国 能 源,2009,31(6):30-33.

  [4] 中国标准化研 究 院,北京中创碳投科技有限公司,中国电力企业联 合 会.温室气体排放核算与报告要 求第1部分:发电企业:GB/T32151.1—2015[S].北京:中国标准出版社,2015.

  [5] 刘明达,蒙吉 军,刘 碧 寒.国内外碳排放核算方法研究进展[J].热带地理,2014,34(2):248-258.

  作者:杨 莉