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       今年全國多地出現(xiàn)嚴(yán)重的霧霾天氣，根本原因是區(qū)域范圍內(nèi)污染排放總量大大超過了大氣自然的凈化能力。近十年來我國煤炭消耗大幅度增長，2000年還只有15.2億噸，可是2011年已經(jīng)增長到34.8億噸。已接近世界其他所有國家消耗量的總和，也就是說，世界一半的煤炭污染物集中在我國人口密集地區(qū)，這正是造成環(huán)境災(zāi)害的主要原因。立即減少污染源，削減大氣污染物才是解決霧霾的根本之道。

　　煤炭消費(fèi)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(dá)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(dòng)”，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(fèi)措施中又存在許多瓶頸，限制了發(fā)展速度。例如，采用燃?xì)庹羝��?lián)合循環(huán)是目前世界電力工業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，它能高效率的利用燃料，是一種清潔能源，有利于保護(hù)環(huán)境。不過我國天然氣資源有限，雖然可以進(jìn)口，但燃料價(jià)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(yán)重，新一代高安全性的反應(yīng)堆研制進(jìn)展緩慢，也不能有力地支持電力工業(yè)的發(fā)展。風(fēng)電作為一種可再生能源，裝機(jī)容量發(fā)展很快，由于受到電網(wǎng)調(diào)峰能力的限制，有時(shí)還要“棄風(fēng)”，不能充分發(fā)揮作用。

　　針對(duì)這些能源技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)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(duì)清潔能源揚(yáng)長避短的組合利用技術(shù)方案，簡(jiǎn)稱“雙燃料清潔能源大型發(fā)電站”。

　　燃?xì)庹羝��?lián)合循環(huán)

　　大容量高效率的燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)是世界電力工業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，它既能節(jié)省日趨緊張的能源資源，又有利于保護(hù)環(huán)境。燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點(diǎn)是效率高、排污指標(biāo)低、建設(shè)周期短、占地和用水量少、啟動(dòng)靈活、自動(dòng)化程度高等。

　　目前簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的功率已超過280 MW，凈效率達(dá)到40%；聯(lián)合循環(huán)的單機(jī)功率超過390 MW，凈效率達(dá)到60%，而較先進(jìn)的超超臨界燃煤機(jī)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?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)機(jī)組已成為世界上電力工業(yè)的主力機(jī)型。

　　我國主要因?yàn)樘烊粴赓Y源條件和燃料價(jià)格偏高的限制，發(fā)展受到制約。過去一直把燃?xì)廨啓C(jī)定位為備用電源或調(diào)峰機(jī)組。近來隨著國家西氣東輸、東海油氣和進(jìn)口液化天然氣等項(xiàng)目的進(jìn)展，已經(jīng)準(zhǔn)備快速提升天然氣工業(yè)的開發(fā)速度。但是，面對(duì)數(shù)量龐大的燃煤機(jī)組的替換任務(wù)，燃?xì)庹羝��?lián)合循環(huán)發(fā)電的高成本也是難于逾越的障礙。

　　先進(jìn)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(jìn)展，目前在役機(jī)組15臺(tái)，在建機(jī)組26臺(tái)。主要堆型是壓水堆，其中最先進(jìn)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(jìn)速度。而且國家核電發(fā)展規(guī)劃要求，新建核電機(jī)組必須符合三代安全標(biāo)準(zhǔn)，提高了準(zhǔn)入門檻。

　　核電還是一項(xiàng)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(jì)方案。國家規(guī)劃也要求，要用最先進(jìn)的成熟技術(shù)，持續(xù)開展在役在建核電機(jī)組安全改造，不斷提升我國核電機(jī)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(jìn)性和成熟性的實(shí)質(zhì)性進(jìn)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(jìn)技術(shù)，它的先進(jìn)性表現(xiàn)在可以輸出800℃到1000℃的高溫?zé)崮埽�模塊化設(shè)計(jì)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(yán)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(yùn)行的問題，這些問題必需排除，才能達(dá)到設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(yàn)困難，在堆內(nèi)的輻照變形出現(xiàn)間隙和振動(dòng)問題也難以解決，目前還處于建造大型實(shí)驗(yàn)堆的前期。不過它的模塊化設(shè)計(jì)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(yùn)行的問題。例如，在過去德國球床實(shí)驗(yàn)堆AVR上，曾發(fā)現(xiàn)吸附裂變產(chǎn)物的石墨粉塵達(dá)50-60kg之多。如果當(dāng)時(shí)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(jì)也不能滿足安全要求。主要原因是運(yùn)行過程中，所有燃料球都在不停的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，因此產(chǎn)生大量石墨粉。

　　另外，高溫下燃料球移動(dòng)規(guī)律不可能在常溫實(shí)驗(yàn)條件下獲得，高溫移動(dòng)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(dòng)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(dòng)又導(dǎo)致軸向功率分布嚴(yán)重不均，使平均功率降低一倍以上。總之，吸取過去實(shí)驗(yàn)堆教訓(xùn)，不用燃料球不停滾動(dòng)的設(shè)計(jì)，像大多數(shù)其它各類反應(yīng)堆那樣定期換料，將不會(huì)出現(xiàn)球床堆的這些嚴(yán)重問題。

　　高溫氣冷堆的改進(jìn)　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(jì)，并與美國、法國等公司合作準(zhǔn)備投入建造，可是在上述問題面前，于2年前停止了該項(xiàng)工程。但是，在挑戰(zhàn)面前存在機(jī)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(shí)驗(yàn)堆經(jīng)驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)定期換料。運(yùn)行中燃料球沒有移動(dòng)，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(jì)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(jì)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(fēng)機(jī)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(dá)到400 MW。

　　核能與燃?xì)鈾C(jī)組的結(jié)合

　　規(guī)則床模塊式高溫氣冷堆是在柱狀實(shí)驗(yàn)堆和球床實(shí)驗(yàn)堆多年實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，排除各自在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題而設(shè)計(jì)出的新堆型，是設(shè)計(jì)成熟的高溫堆，可以通過原型堆示范建造來驗(yàn)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(jìn)入氦氣輪機(jī)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(dá)到47％，球床堆可以達(dá)到42％左右。不過氦氣輪機(jī)發(fā)電技術(shù)先進(jìn)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(jī)配合，也能達(dá)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?xì)庹羝��?lián)合循環(huán)機(jī)組配合，技術(shù)成熟而且具有一系列優(yōu)異性能。天然氣燃?xì)庹羝��?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(yàn)。這兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，在工程上是可以實(shí)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(jìn)入天然氣燃燒室及燃?xì)庹羝��?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(jì)參數(shù)需要考慮與核能聯(lián)合的新特點(diǎn)，其中壓縮機(jī)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。