煤炭消費的大戶是發(fā)電，雖然我國人均消耗的電力水平不高，與發(fā)達國家相比還有很大差距，電力工業(yè)還處于旺盛的發(fā)展階段，但以煤為主的能源結(jié)構(gòu)遇到了空前的挑戰(zhàn)。不僅如此，目前有些污染治理措施，還需要更多地依靠電力，譬如，北方冬季采暖能否“煤改電”，汽車能否增加“電驅(qū)動”，作為現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)的電力工業(yè)，向清潔能源轉(zhuǎn)變應(yīng)該是科技攻關(guān)任務(wù)的重中之重。
在現(xiàn)有降低煤炭消費措施中又存在許多瓶頸，限制了發(fā)展速度。例如，采用燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)是目前世界電力工業(yè)發(fā)展的一個趨勢，它能高效率的利用燃料，是一種清潔能源，有利于保護環(huán)境。不過我國天然氣資源有限，雖然可以進口，但燃料價格和發(fā)電成本很高，限制了它的大規(guī)模發(fā)展。核能是減少溫室氣體排放和治理環(huán)境污染的清潔能源，但由于發(fā)生事故的后果嚴重，新一代高安全性的反應(yīng)堆研制進展緩慢，也不能有力地支持電力工業(yè)的發(fā)展。風電作為一種可再生能源，裝機容量發(fā)展很快，由于受到電網(wǎng)調(diào)峰能力的限制，有時還要“棄風”，不能充分發(fā)揮作用。
針對這些能源技術(shù)上的優(yōu)勢以及存在的限制因素，本文在現(xiàn)有成熟技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一種對清潔能源揚長避短的組合利用技術(shù)方案，簡稱“雙燃料清潔能源大型發(fā)電站”。
燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)
大容量高效率的燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)是世界電力工業(yè)發(fā)展的一個趨勢，它既能節(jié)省日趨緊張的能源資源，又有利于保護環(huán)境。燃氣輪機的優(yōu)點是效率高、排污指標低、建設(shè)周期短、占地和用水量少、啟動靈活、自動化程度高等。
目前簡單循環(huán)燃氣輪機的功率已超過280 MW，凈效率達到40%；聯(lián)合循環(huán)的單機功率超過390 MW，凈效率達到60%，而較先進的超超臨界燃煤機組的熱效率僅僅為45%左右。因此，隨著天然氣資源的廣泛開發(fā)和應(yīng)用，燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)機組已成為世界上電力工業(yè)的主力機型。
我國主要因為天然氣資源條件和燃料價格偏高的限制，發(fā)展受到制約。過去一直把燃氣輪機定位為備用電源或調(diào)峰機組。近來隨著國家西氣東輸、東海油氣和進口液化天然氣等項目的進展，已經(jīng)準備快速提升天然氣工業(yè)的開發(fā)速度。但是，面對數(shù)量龐大的燃煤機組的替換任務(wù)，燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的高成本也是難于逾越的障礙。
先進的核能技術(shù)：高溫氣冷堆
我國大型核電站建設(shè)已經(jīng)取得重大進展，目前在役機組15臺，在建機組26臺。主要堆型是壓水堆，其中最先進的AP1000 MW和EPR1700 MW的第三代壓水堆，不久也將在我國建成投產(chǎn)。由于國際上發(fā)生核事故的影響，核電采取穩(wěn)步有序和慎重的推進速度。而且國家核電發(fā)展規(guī)劃要求，新建核電機組必須符合三代安全標準，提高了準入門檻。
核電還是一項較新的工程技術(shù)，目前壓水堆向大型化高投資方向的發(fā)展空間已經(jīng)受到限制，因此近來向小型化固有安全的方向提出了很多研究設(shè)計方案。國家規(guī)劃也要求，要用最先進的成熟技術(shù)，持續(xù)開展在役在建核電機組安全改造，不斷提升我國核電機組的安全性能。因此，如果能夠在自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新方面，獲得技術(shù)先進性和成熟性的實質(zhì)性進展，我國就可能在核能利用上打開新局面。
高溫氣冷堆就是核電的先進技術(shù)，它的先進性表現(xiàn)在可以輸出800℃到1000℃的高溫熱能，模塊化設(shè)計獲得了第四代核電才具有的固有安全性，使它可以避免發(fā)生嚴重的堆芯熔化事故。但近來研究又發(fā)現(xiàn)一些影響安全運行的問題，這些問題必需排除，才能達到設(shè)計成熟水平。
高溫氣冷堆存在的問題 高溫氣冷堆在幾十年研究中，一直存在兩種堆型，即柱狀燃料堆和球形燃料堆，兩種堆型各自存在本身特有的問題。簡單地說，柱狀燃料堆由于燃料塊體積大，加工制造和輻照考驗困難，在堆內(nèi)的輻照變形出現(xiàn)間隙和振動問題也難以解決，目前還處于建造大型實驗堆的前期。不過它的模塊化設(shè)計性能，如單堆功率、輸出溫度和熱電轉(zhuǎn)換效率都好于球形燃料堆。
球形燃料堆近來的研究，發(fā)現(xiàn)了一些不容忽視的影響安全運行的問題。例如，在過去德國球床實驗堆AVR上，曾發(fā)現(xiàn)吸附裂變產(chǎn)物的石墨粉塵達50-60kg之多。如果當時發(fā)生氦氣泄漏事故，很可能造成放射性外泄，甚至發(fā)生高溫石墨粉遇到空氣爆燃或火災(zāi)等事故。大量石墨粉不僅使反應(yīng)堆退役遇到困難，而且現(xiàn)有安全殼設(shè)計也不能滿足安全要求。主要原因是運行過程中，所有燃料球都在不停的旋轉(zhuǎn)和移動，因此產(chǎn)生大量石墨粉。
另外，高溫下燃料球移動規(guī)律不可能在常溫實驗條件下獲得，高溫移動特性不十分清楚，很可能在某些邊角處有結(jié)晶化傾向，造成移動速度過慢，引發(fā)超燃耗限值，并產(chǎn)生不應(yīng)有的放射性釋放。燃料球移動又導(dǎo)致軸向功率分布嚴重不均，使平均功率降低一倍以上?？傊∵^去實驗堆教訓(xùn)，不用燃料球不停滾動的設(shè)計，像大多數(shù)其它各類反應(yīng)堆那樣定期換料，將不會出現(xiàn)球床堆的這些嚴重問題。
高溫氣冷堆的改進 南非在大量資金支持下，在德國技術(shù)基礎(chǔ)上完成了球床高溫氣冷堆（PBMR）電功率165 MW的工程設(shè)計，并與美國、法國等公司合作準備投入建造，可是在上述問題面前，于2年前停止了該項工程。但是，在挑戰(zhàn)面前存在機遇，上述球形燃料堆存在的問題在柱狀燃料堆上，并不存在。而柱狀堆的問題，在球床堆上也不存在。利用兩種實驗堆經(jīng)驗，去劣存優(yōu)就出現(xiàn)了一種基于兩類堆型而高于兩類堆型的高溫氣冷堆成熟技術(shù)，即規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆。
規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆的燃料是球形元件，堆積到堆芯就形成“結(jié)晶式”的固定結(jié)構(gòu)，同柱狀堆一樣成為規(guī)則的堆芯外形，實現(xiàn)定期換料。運行中燃料球沒有移動，就排除了球床堆的上述所有問題，同樣也沒有柱狀堆的上述問題。它的設(shè)計性能，如單堆功率、輸出溫度和熱電轉(zhuǎn)換效率都接近和高于柱狀燃料堆，設(shè)計后的斷面圖形很像柱狀堆。如果采用高溫氣冷堆較小的壓力殼，以及配套的風機等設(shè)備，堆芯直徑3 m，堆芯高8m，在現(xiàn)有安全限值下，熱功率就可以達到400 MW。
核能與燃氣機組的結(jié)合
規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆是在柱狀實驗堆和球床實驗堆多年實驗運行的基礎(chǔ)上，排除各自在實驗中發(fā)現(xiàn)的問題而設(shè)計出的新堆型，是設(shè)計成熟的高溫堆，可以通過原型堆示范建造來驗證它的性能。
高溫氣冷堆的熱電轉(zhuǎn)換以前有兩種方式，一種是將冷卻堆芯的氦氣，直接進入氦氣輪機發(fā)電。這種直接氦氣布雷頓循環(huán)，柱狀堆轉(zhuǎn)換效率可以達到47％，球床堆可以達到42％左右。不過氦氣輪機發(fā)電技術(shù)先進但不成熟，尚處于小規(guī)模示范研究階段。另一種是高溫氦氣經(jīng)過熱交換，與高參數(shù)蒸汽輪機配合，也能達到42％以上的熱電轉(zhuǎn)換效率。由于蒸汽壓力高于氦回路壓力，需要注意防止水蒸汽漏入氦回路的可能。
現(xiàn)在我們提出的能量轉(zhuǎn)換方式是高溫氣冷堆與燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組配合，技術(shù)成熟而且具有一系列優(yōu)異性能。天然氣燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)是國際上商用成熟技術(shù)，已經(jīng)具有一定規(guī)模的使用經(jīng)驗。這兩項技術(shù)的結(jié)合，在工程上是可以實現(xiàn)的。
在核能與聯(lián)合循環(huán)的工藝流程中，空氣被壓縮以后首先由核能加熱，即通過氦氣與壓縮空氣熱交換，被加熱至800℃（以后可能提高至950℃）后，再進入天然氣燃燒室及燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。高溫氣冷堆與聯(lián)合循環(huán)之間由氣氣換熱器連接，該換熱器有人建議選用微流道板式換熱器，可能是一種較好的選擇。聯(lián)合循環(huán)的流量和壓比等設(shè)計參數(shù)需要考慮與核能聯(lián)合的新特點，其中壓縮機最好有中間冷卻，獲得壓比高和溫度低的參數(shù)，將更有利于核能的應(yīng)用。
?。ㄗ髡呦登迦A大學(xué)教授）
