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      科學技術論文

      核島暖通系統設計階段的運行碳排放分析

      時間:2022年06月20日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

      摘要:參考建筑碳排放和發電企業碳排放的組成,在設計階段對核電核島暖通系統運行能耗組成進行分析,根據系統運行實際和特點,研究該系統運行碳排放計算方法。對核島暖通系統的主要碳源在正常運行工況下的碳排放量進行核算,得到系統壽命周期的排碳量和各組

        摘要:參考建筑碳排放和發電企業碳排放的組成,在設計階段對核電核島暖通系統運行能耗組成進行分析,根據系統運行實際和特點,研究該系統運行碳排放計算方法。對核島暖通系統的主要碳源在正常運行工況下的碳排放量進行核算,得到系統壽命周期的排碳量和各組成部分的權重并加以分析。為設計階段進行專業系統碳排放計算提供了參考方法,證明在設計階段進行核島暖通系統碳排放的預計算分析是可以進行的,并且對核電系統技術方案的設計和運行排碳量評價具有一定意義。

        關鍵詞:核電;暖通;設計;碳排放;運行;碳源

      核電

        0 引言

        碳達峰、碳中和是目前各行業的重要任務,各級政府、企業和行業都在制定包含“雙碳”目標并能與之相適應的發展規劃。我國2021年的二氧化碳排放量比2019年高6%,總量約為102億~104億t,其中燃煤 排 放 貢 獻 約70%,電力部門煤炭用量的增加不容忽視。電力是未來能源增長的主體,并且與國計民 生 直 接 相 關,新增用電也屬于剛性需求,其碳排放峰值及達峰速度是影響“雙碳”目標的重要因素。近些年,電力行業結構也在不斷優化,核電、風電和光伏發電等清潔能源的裝機量快速增長,逐步替代傳統火電的趨勢明顯。國內自20世紀90年代中期就開始深入研究核電廠對所處環境的影響,涉及了核電各環節和全壽命周期的基于相關材料的溫室氣體排放計算分析,放射性流出物排放及核設施在建造和運行維護期間間接排放的非放射性大氣污染物。據相關文獻資料[1],與燃煤發電相比,核能發電相當于減少燃燒標準煤1.047億t,減少二氧化碳排放2.744億t,減少二氧化硫排放89.03萬t,減少氮氧化物排放77.51萬t。核電廠可以看作是一個多學科、多系統精準協作的大型系統,各“子系統”運行方式、耗能模式等不盡相同。

        在核電廠包括燃料開采、設備生產、運輸、建 造、運 行、退役和廢棄物處理的全壽命周期中,發電運行階段的各專業系統設備的碳排放缺少相關的細化研究。核島暖通系統亦是如此,在安全和功能實現 的 前 提 下,受制于成熟技術的應用要求,節能和低碳并不是設計階段的重要任務,而僅以是否達到相關標準要求作為衡量準則。而在建筑行業內,暖通系統(空調、供暖、通風、制冷)用能被視為是建筑運行階段的首要能耗,綠色、低碳的目標和理念已被普遍認可和執行;谝陨锨闆r以及暖通系統在核電廠中的廣泛應用,認為定量核算系統的碳排放量是專業設計人員實現分解及執行“雙碳”目標和任務的基礎,本文通過參考發電企業和建筑碳排放的組成進行分析,對核電核島暖通系統運行能耗組成進行解析,并進行具體計算,可為設計階段進行專業系統評價的碳排放計算提供參考方法,積累相關經驗。

        1 碳排放計算模型

        由《聯合國氣候變化框架公約》,碳在自然生態環境中向大氣中釋放碳的過程、活動或機制稱為碳源,將大氣中的碳固定在植被及土壤中以降低大氣中溫室氣體濃度的過程、活動或機制稱為碳匯。碳實現由碳源向碳匯的轉化循環過程中,因源匯的強度不同而造成大氣中碳積累量(記為 ΔC)的波動,進 而 干 擾 大 氣 的 熱 平 衡,產生一系列后續影響。ΔC 也可以視為某類活動引起的排碳量。

        1.1 建筑碳排放

        建筑碳排放[2]為建筑在全壽命 周 期 內 與 建 筑物有關的建材生產及運輸、建造及拆除和運行階段產生的溫室氣體排放量的總和。運行階段,關于單體建筑碳排放的估算,其排放源的確定應該從成品建筑物內部各種項目功能出發,可將其劃分為3個部分[3]。在設計階段對于建材、建造及拆除階段的工程量數據缺乏無法計算,本文僅參考建筑運營階段碳排放中暖通空調系統部分進行計算。

        2 核電核島暖通系統

        2.1 系統簡介

        以華南區域某廠址核電廠為例,核島廠房基礎底板為防水 混 凝 土,內 外 墻 體 均 為 鋼 筋 混 凝 土 墻體。核島廠房除設備孔洞外無外窗,內窗采用鋁合金窗。核島廠房屋面防水等級為I級,保溫層為擠塑聚苯板,大多數房間采用鋼板門、防火門,廠房功能布置包括反應堆廠房、控制廠房與安全廠房、燃料廠房及核輔助廠房。核島暖通專業系統劃分有多個子系統,子系統間相互關聯,對于核電站正常運行和環境保護起著重要作用,是反應堆重要的輔助屏障系統,也是核電站的縱深防御措施之一。

        暖通子系統以多樣性、多重性、獨立性和災害防護準則為出發點,結合核島主輔系統布置、電儀設備與廠房實際情況進行布置和功能分區。系統在核電體系內屬于公用設施系統。核島暖通系統按主要功能可分為通 風、空 調、防排煙和冷水制備幾個大類,主要用于正常運行狀態和事故工況下,維持人員和設備可接受的環境條件(溫度、壓力、濕度、放射性和清潔度),監測和限制放射性物質排放,保護人員和設備不受建筑物內部(缺氧、爆炸、火災)和外部特殊危害的影響。

        反應堆廠房全部為控制區,設置安全殼冷卻通風系統實現廠房冷卻,設置安全殼換氣通風系統實現廠房通風,設置安全殼內部過濾系統實現除碘降低廠房放射性,設置安全殼貫穿件間通風系統實現貫穿件泄漏氣體的收集過濾?刂茝S房與安全廠房的輻射防護控制區設置控制廠房與安全廠房控制區通風系統,控制廠房與安全廠房的非輻射防護控制區根據功能區域和設備布置分別設置控制廠房與安全廠房非控制區通風系統、主控室空調系統、主蒸汽主給水閥門間通風系統。燃料廠房全部為輻射防護控制區,設置燃料廠房通風系統。核輔助廠房輻射防護控制區設置核輔助廠房通風系統,核輔助廠房非輻射防護控制區根據廠房區域功能設置核島運行冷凍間通風系統。另外,在存在高火荷載的房間設置排煙系統,在疏散樓梯間設置防煙送風系統。根據上游通風空調系統及有服務需求的工藝系統,設置2個以上的核島冷水系統排除安全相關暖通系統及非安全相關暖通系統及部分工藝系統冷卻盤管傳遞的熱量,以及為安注泵電動機提供冷卻。

        2.2 核島暖通系統碳排放

        核島暖通系統總體由冷源、熱源、末端(冷、熱)設備和輸配裝置幾個部分組成,碳排放亦由此各組成部分的耗 能 產 生。相關自控等弱電系統、廢物處理碳排放、冷卻系統(熱阱)碳排放等支持系統的碳排放以核電設計專業劃分為基礎劃歸于其他專業系統,這里不做討論。另外,系統施工建造和退役碳排放可劃歸于全壽命周 期 的 建 造 和 退 役 過 程,這 里 亦 不 做 討論。

        3 核島暖通系統碳排放計算

        3.1 計算方法

        這里擬用基于供電碳排放因子法[5]計 算 系 統的碳排放。參照建筑運行階段的總碳排放量[2]、核電廠的特點和計算邊界及暖通系統組成。

        3.2 實例計算

        華南某廠址規劃建設2臺百萬千瓦級壓水堆核電機組,該項目核島暖通系統設備數量較大,篇幅所限,這里只列出各類主要設備初步設計階段的設計總功率和運行時段,匯總統計見表2。正常運行功率指系統正常運行時的設計運行功率,由于其他工況(超設計基準工況、嚴重事故工況等)為低概率事件,這里未進行討論。核島暖通系統連續運行指每天24h不間斷連續運行。核島廠房無外窗,核電主工藝設備和系統及高密度的電氣設備冷負荷為暖通主要負荷,因此冷源系統全年運行,在冬季 為 部 分 負 荷 運 行,在 此 估 算 為60%,累計運行時長為7738h/a。

        核島內部正常的氣流流向在排出前應按照從潛在的低污染區流向逐漸增高的潛在污染區,潛在放射區域的排風不能被循環再用,正常通風系統全年連續運行,計算累計運行時長8760h/a。煙氣控制系統設置的加壓送風機和排煙風機在火災事故時運行,計算累計運行時長可以忽略。電制冷風冷冷水機組在事故(失去冷卻水)時運行,計算累計運行時長可以忽略。暖風機和電加熱器主要在冬季連續運行,計算累計運行時長3720h/a。水泵參照冷水機組累計運行時 長 為7738h/a,各類電動閥參照風機累計運行時長8760h/a。另外,安全級系統和安全相關系統的主要設備均設置了冗余,計算累計能耗時不考慮冗余設備能耗。

        核電廠大修時間計為3年1次,約30d,計算運行累計時長時進行修正(維修系數0.972)。區域電網年平均供電排放因子參考最新《企業溫室氣體排放核算方法與報告指南》(2021年修訂版,征求意見稿)中調整后的0.5839kg/(kW·h)。由以上討論,根據式(1)~(5)可計算核島暖通系統在設計運行工況下的主要碳源的碳排放量,根據式(6)可計算電制冷機的制冷劑產生的碳排放,制冷劑為 R134a,全球變暖值為1300,即釋放1g的 R134a與釋放1300g的二氧化碳具有相同的全球變暖效應。

        4 結語

        核電核島暖通系統設計方案中,節能措施包含合理選取室外氣象參數、確定室內設計參數,選擇在同行業內IPLV 值高的制冷主機、選擇采用高效率的通風機等,但核電設計要使用成熟、安全的可靠技術,節能型新產品如果沒有長時間的運行檢驗也盡量不采用。在此背景下,只能通過深入詳細的設計計算,不斷優化設計方案,改進運行方案,使用可靠的儲熱、儲冷、導風、氣流組織、精細控制等技術來降低系統耗能。這是核電行業暖通方案在已有基礎上“低碳”的合理出路。在設計階段進行核島暖通系統碳排放的預計算分析是可以進行的,該計算針對性強,如果能結合其他專業系統的碳排放計算結果,可以直觀得到核島運行過程的碳排放的設計成果,用于核電方案的運行排碳量評價有一定意義,對設計方案和運行方案的優化改進也有參考價值。同時,核電站系統及設備實際運行狀態數據庫建立非常有必要,這是運行碳排放評價的重要基礎支撐,也能為宏觀政策的制定提供必要參考。

        參考文獻:

        [1] 田力.碳中和視角下的核能貢獻[J].能源,2021(5):30-32.

        [2] 中國建筑科學研究院有限公司,中國建筑標準設計研究院 有 限 公 司. 建筑碳排放計算標準:GB/T51366—2019[S].北京:中國建筑工業出版社,2019.

        [3] 劉少瑜,茍中 華,巴 哈 魯 丁.建筑物溫室氣體排放審計———香港建筑物碳 審 計 指 引 介 紹[J].中 國 能 源,2009,31(6):30-33.

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        [5] 劉明達,蒙吉 軍,劉 碧 寒.國內外碳排放核算方法研究進展[J].熱帶地理,2014,34(2):248-258.

        作者:楊 莉

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