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核能综合应用和全流程数字化
2020-06-30

来源:中国核能行业协会       发布日期:2020-06-30

 

 

 

《中国核能行业智库丛书(第二卷)》市场推介圆满完成。这是一本发产业先声的智慧文萃,是行业专家们从不同角度、不同深度对产业前途命运进行思考的思想文库,近期小编将精选部分观点文章与广大读者共同品鉴。今天,和您分享的是系列文章之十一:核能综合应用和全流程数字化。

作者简介

范霁红,国家电力投资集团公司科技研发总监兼科技与创新部(科技重大专项办公室、军民融合办公室)主任,长期从事核工业发展规划管理和科技创新管理。2007年以来先后参与组织国家大型先进压水堆科技重大专项和重型燃气轮机科技重大专项的实施,担任专项实施办主任。(注:作者简介覆盖至20199月)

文章摘要

文章根据我国未来能源系统演绎的方向分析了核能可能的位置,认为在满足安全和环境友好性的基础上,经济性和灵活性是决定未来核能系统发展规模的核心要素,并提出核能综合应用和核能系统开发全流程的数字化是提高经济性和灵活性的实现途径。

全文赏析

核能综合应用和全流程数字化

当前能源技术的创新日新月异,技术创新带来了能源系统运营模式的变化和新商业模式的产生,能源系统的政府监管也在发生相应的变化。在绿色低碳、安全高效的整体要求之下,可再生能源的应用规模不断扩大并将最终占据主导地位,可再生能源占据主导地位的能源系统对核能发展提出新的要求。作为可调节的清洁能源,未来的核能将在与储能装置、清洁化石能源和其他可调节能源竞争中,寻找自身的发展之路。

未来能源系统

能源系统是一个纷繁复杂的庞大系统,根据国际能源署数据,2017年全球一次能源总消费量约135亿吨油当量,主要是石油(34%)、煤炭(28%)、天然气(23%)、水能(7%)、核能(4%)、其他可再生能源(4%)(1),其中一部分能源消费是通过转化为电力等二次能源消费的。全球一次能源消费在稳步上升,同时结构也在发生变化。过去四十年的主要变化趋势,是天然气和可再生能源的比例增加,煤炭所占比例基本不变,而石油消费的占比减少。同时,电力在一次能源消费中的占比在逐步增加。

目前,能源的绿色低碳化成为全球共识。虽然美国特朗普政府对能源低碳转型持有不同观点,但由于美国很多州在继续推动能源低碳化,世界大多数国家在继续履行巴黎协定的义务,以及可再生能源的经济竞争力不断增强,全球能源绿色低碳化的趋势已经不可逆转。

从我国的情况看,能源消费总量在稳步增加,总量已经巨大,但因为我国人均能源消费与发达国家的人均能源消费相比仍很低,未来增长空间依旧巨大。我国已经签署巴黎协定,承诺了减排的义务,同时为了我国的生态环境保护和能源安全,明确建设绿色低碳、安全高效能源系统的发展目标。因为我国化石能源资源禀赋不好,人均资源占有量低,在严重依赖煤炭作为一次能源同时,还必须大量进口石油和天然气作为一次能源。这样的能源结构,既使我国付出了惨重的环境生态代价,油气的对外依存也严重影响我国的能源安全。大力发展太阳能和风能等可再生能源,既是实现绿色低碳目标的必由之路,也是建设安全高效能源系统的必由之路。经分析,使用可再生能源,不但可以满足我国未来能源的增量需求,也可以部分甚至大部分替代目前由煤炭和油气提供的一次能源,实现我国能源自给自足,从根本上提高能源安全。

同时,使用清洁能源比化石能源更高效。以一次能源消费总量来说,我国2018年一次能源总消费约为46.4亿吨标煤(32.4亿吨油当量),据估算2035年将达到55亿吨标煤左右,然后将保持稳定。在能源消费量不变的情况下,折算的标煤量与能源消费结构有很大关系,因为化石能源从一次能源转化为电能,会有效率损失,而风电、太阳能和水电直接以电能的形式呈现,不计算效率损失。在全社会用电量不变的情况下,如果电力来自风光水与电力来自化石能源相比,折算成的标煤数量较少,全社会能效较高。我国目前电力消费占一次能源消费总量的大约20%(全球平均约16%),预计未来电力消费占一次能源消费的比重将上升到50%以上,采用清洁能源发电将可以显著降低以标煤或标准油计算的一次能源总量。

研究全球核能的发展,必须将核能发展放在世界能源变迁的大趋势中进行分析。研究中国的核能发展,既要研究全球能源政策和能源格局的变化趋势,又必须首先分析中国的能源发展趋势,在这样的能源大趋势中去寻找核能发展的未来。

1.核能在绿色低碳、安全高效能源系统中的位置

习总书记关于我国能源四个革命,一个合作的战略思想和党的十九大提出的构建绿色低碳、安全高效能源系统,指明了我国未来能源发展的方向。

绿色低碳,从电源生产的角度,不仅是指发电过程中的污染物和碳排放少,而是能源生产全过程所产生的环境生态负面影响最小。仅从排放的角度,煤电通过碳捕集和污染物捕集,也可实现零碳零排放,但煤碳生产过程的环境影响仍不可忽视。而事实上实现全面的碳和污染物捕集在经济和其他方面的代价使其难于大规模应用。从全生命周期的数据看,太阳能和风能是发电过程最清洁低碳的一次能源,其全生命周期的环境影响也是最小的。同时,由于风电和太阳能全寿期发电成本不断降低,未来还可能成为最经济的能源。因此未来风能和太阳能的增加,煤炭及其他化石能源使用的减少是必然的,在这个过程中核能既有机遇又有挑战,必须以核能技术的革命,响应能源革命的大潮,否则就会面临淘汰。

能源系统的安全,既建立在总量的保障上,也建立在配送和可调节能力之上,核能的机遇在于,风、光、水的不可调节或不可完全调节。虽然风能和太阳能总量上可以满足需求,但是由于其间歇性的特点,需要另外配以可调节能源。储能装置、清洁化石能源、核能、生物质能、地热均可以成可调的能源,水电也是部分可调节的能源。在满足环境和生态保护要求的前提下,市场将选择最高效的可调节能源系统。最高效的可调节能源系统,既可以是储能装置,也可以是核能,也可以是清洁化石能或生物质能或地热,也可以是它们的组合。评价是否高效,最终看它们调节的灵活性和经济竞争力。

从能源生产的角度看,风、光、水能的价格不断降低,是能源高质量发展的体现,也是能源效率提高的一种体现。高效能源系统,要求系统中的可调节部分也必须是高效的。

生物质能和地热能发展面临成本的挑战。生物质能和地热能是可再生能源,而且是可以调节的可再生能源。通过合理的技术措施,生物质能发电时的污染物排放可以有效控制。据估算我国可利用的生物质燃料每年可达9亿吨标煤左右,大规模应用后可以与风能、光能、水能构成理想的能源系统。但以目前的技术分析,其成本降低的空间有限,制约了生物质能的大规模商业应用。据地下水环境网提供的数据,我国仅地热水资源年可开采量就折合标煤19亿吨,需要解决的也是在满足环境生态保护要求的同时,如何降低成本的问题。

核能所面临的挑战更为复杂。除了公众对核安全的关切和放射性废物处理处置的关切,还必须与储能装置及生物质能、清洁的化石能源、地热等进行成本和可调节能力的竞争,才能获得足够的发展空间。因此,核能不但需要进一步提高安全性,消除公众对核安全的担心,还必须进一步降低全寿期的资源的消耗和放射性废物的产生,以及进一步降低全寿期的成本,提高可调节能力和经济竞争力。

总之,在绿色低碳、安全高效的能源系统中,化石能源的份额将逐步减少。未来的一次能源系统将由可再生能源主导,主要是太阳能、风能、水能、生物质能和地热能。从目前的趋势看,最有经济竞争力和发展空间的是风光能。核能的机会,在于解决好安全和环保问题后,在风光水的间歇中作为可调节能源与储能系统和清洁化石能源甚至生物质能源竞争。这种竞争是多方面的,但最终通过可调节能力和经济性体现。为此,核能要采用多种方式提高能效及灵活性,有效的方式是将核能发展为多用途分布式能源系统的一部分,同时通过采用数字化技术确保安全性和降低成本。

2.核能综合应用是提高能效和增加灵活性的最佳途径

目前,我国的分布式能源系统呈现不断增多的趋势。传统的能源利用,包括化石能源、水电和核能,规模与效率呈现正相关,所以倾向于建设集中生产的大型电厂,这样能源系统生产效率高,燃料储运、单位功率设备造价、单位功率的用地、建造和运行人工都能降低。虽然集中的能源生产导致了电厂到用户的输电成本增加,但与建设小型电站相比,大型发电系统的总体成本更低。分布式能源系统,因其靠近用户且采用能源梯级利用技术大幅度提高能效,克服了小型能源系统效率低的缺点。风能和太阳能单机组功率不大,适合于分布式开发。由于发电与用电距离近,节省了输电成本。屋顶光伏,鱼塘光伏等也节约了土地资源。当然中国这样拥有大片荒漠的国家,既可以集中建设大规模的新能源发电基地,通过远距离输电送至负荷中心,也可以发展分布式新能源,但是相信随着能源梯级利用技术的进步,以及储能和可再生能源技术的不断进步,今后分布式能源系统将会进一步增加,我国能源系统将呈现整体有骨干网,末梢有分布式小系统的特点。

大型核能系统通过增加单机组容量降低造价和运行成本已经几乎走到极致,进一步提高能效最有效办法就是进行能源的梯级利用。但大型核能由于距离人口聚集区较远,很难充分开展梯级利用。核能单一用来发电,目前主力的压水堆热电转换效率只有37%左右, 因此通过梯级利用提高能效的空间很大。近年远距离输热技术逐渐成熟,为核能的梯级利用创造了条件。

核能的梯级利用,也就是综合利用,不但是提高能效的最有效手段,也是增加核能系统灵活性的有效手段。单一发电的核能系统,在负荷跟踪需要通过调节反应堆功率来实现。多联供的核能系统则通过调节不同能源品种的产量实现电力负荷跟踪。由于不需要调节反应堆功率,负荷跟踪的能力大幅度提升,响应时间也更快,同时经济性也得到保证。

为了增强综合核能系统的灵活性,可以考虑建设与核反应堆功率匹配的大型储热系统。配置大型储热装置的核能系统。储热相比储电成本更低也易于大型化,确保在电力负荷跟踪及或其他用户需求变化时,反应堆功率保持不变,利用储能系统调节整个系统的功率。

相比大型核能系统,小微型核能系统在综合供能时更有优势。同时,综合核能系统不应该是是一个孤立系统,其电力可以送入电网或在分布式能源系统里与其他清洁能源形成互补,其供热制冷能力也可以与储能和其他清洁能源系统互补。综合核能系统与其他能源系统的结合可以是多种多样的。既可以开发微小型核能系统成为的分布式能源系统的一部分,也可以开发大型系统,将电力部分送入骨干电网,而将余热利用融入一个或多个区域能源系统。

3.数字化技术使核能发展面临重要机遇

能源系统的数字化紧随社会发展的趋势,成为绿色低碳、安全高效能源系统的重要支撑。太阳能和风力发电相对化石能源发电系统简单,但分布广泛而且很多时候位于交通和气候恶劣的偏远地区,常规的人工巡检和维护成本非常高。通过数字化实现无人值守,促进了太阳能和风电成本的降低。但是数字化技术对于核能的发展具有更加重要的意义,可能成为核能发展的重要转折,这个转折是从成本不断上升向成本下降的转折。

核能发展的最大挑战来自核安全。为了实现不断提高的核安全目标,核能系统的成本也在持续增加,这种成本持续增加与风能、太阳能和储能系统成本不断降低形成鲜明对比,并可能扼杀核能发展的美好前景。数字化技术的应用,有可能使核能发展的成本转为持续下降。

核安全带来的成本增加包括了安全系统带来的成本、设备冗余带来的成本、高质量和高可靠性带来的成本和验证带来的成本,但这些成本中相当大一部分是人的成本。目前人工参与核能系统设计、制造、建造、安装和运行的每一个环节,只要有人参与的过程都由另外的多人进行着审查、确认,层层监管、事事审查,增加了大量成本。

未来的数字技术,包括物联网、大数据和人工智能技术,完全可在由机器按人确定的设计准则完成全部设计、加工、安装和运行和全过程的监督、评估,只需要极少数人对智能系统进行管理。这个技术需要多种信息技术和现有工业流程进行融合,范畴超出现在工业互联网的范畴,在很多环节需要大数据和专家系统的介入,人工智能将会使这样一个一个不断优化。在此且把它简称为核能开发全流程数字化系统,或智能开发系统。通过这种技术,核能系统的安全性将会更有保证,而成本将会大幅度降低。

目前数字化技术已经可以通过模拟分析减少设计阶段的大量试验和简化材料及工艺选型,在建造安装阶段提高效率和减少失误,并提高设备利用率和降低运行成本。未来,结合大数据和人工智能技术的核能开发全流程数字化系统,可以利用已有运行和试验数据自动审查、复核和确认设计方案,并通过无处不在的传感器获取材料和加工数据,确保材料、设备加工、安装的工艺参数符合设计要求,在运行中通过实测数据和经验数据对比、与设计指标对比,实现核电站运行的高度智能化和无人值守。

建立这样的全流程数字化系统是一项异常复杂的工程,但核能几十年开发、运行积累的数据和目前的大数据和人工智能技术使建立这样一个系统具备了可能。系统的建设可在整体规划的基础上,逐步提高智能化水平。在此过程中,除了技术因素本身,需要解决的核安全法规问题也许是更为难于克服的。

未来的能源系统必定是更加高效和灵活的,不论是采用发展综合供能还是开发全流程数字化技术,对于提高核能系统的效率和灵活性,都是有效的途径,也是未来核能系统开发的重要方向。核能系统的创新还包括很多其他的方方面面,比如进一步提高安全性,进一步提高资源的利用率,进一步减少放射性废物的产生等等,本文没有对此进行论述,但在后续的小型模块化反应堆开发中,它们都是至关重要的攻关方向。相信通过目前已经建立并有效运行的核能产学研用创新体系,在政府、企业、高校、院所的共同努力下,我国核能产业一定会有更加美好的明天。